Rohstoffe vom Acker simulierbar

Erfolgreiche Verbundforschung von Ford ermöglicht Spritzgießsimulation mit Naturfasern

06. Mai 2015

Nachwachsende Rohstoffe lassen sich besser nutzen, wenn sie auch in Simulationsläufen darstellbar sind. Ford hat deshalb zusammen mit zehn Partnern in einem Verbundprojekt Werkstoff- und Fließmodelle für naturfaserverstärkte Spritzgießmaterialien erforscht. Ziel war, Materialparameter für möglichst viele derartige Werkstoffe zu ermitteln. Darüber hinaus sollte exemplarisch bei einem Bauteil die technischen Eigenschaften und die Produktion simulieren und dieses Teil real herstellen.

Zu Beginn des Vorhabens testeten die Wissenschaftler 18 Compoundvarianten aus Polypropylen (PP) mit verschiedenen Naturfasern, darunter Fasern aus Zelluloseregeneraten, Sisal-, Hanf-, Weizenstroh- und Holzfasern. Diese wurden zu Probekörpern gespritzt, an denen die Wissenschaftler zahlreiche Versuche durchführten. Für die Fortsetzung des Projekts entschied man sich schließlich für ein Sisal-Polypropylen-Compound, das für das Projekt die besten Verarbeitungs- und Produkteigenschaften aufweist. Als Ergebnis wurde ein Handschuhkasten in Kleinserie produziert, den Ford 2013 vorstellte.

Bei einem langfaserverstärkten Bauteil wie dem Handschuhkasten hängen die mechanischen Eigenschaften vor allem von der Faserausrichtung ab, die innerhalb des Materials jedoch stark variieren kann. Um dennoch das Bauteilverhalten im Rahmen eines Crashtest simulieren zu können, wurde ein kombinierter Simulationsansatz entwickelt. Der basiert auf der Spritzgießsoftware Cadmould, den Simulationsprogramme Radioss von Altair und LS-Dyna von LSTC sowie einem Materialmodell mit der Bezeichnung "MF-GenYld+CrachFEM". Dieses Materialmodell ist kommerziell erhältlich beim Ingenieurbüro Matfem.

Ford verwendet dieses Materialmodell in Kombination mit den genannten Simulationstools. Es lässt sich aber auch mit PAM-Crash von ESI und Abaqus/Explicit von Dassault Systèmes koppeln. Mit dem Materialmodell und den geeigneten Solvern können auch andere Unternehmen derartige Simulationen mit naturfaserverstärktem PP durchführen. Der Spritzgießvorgang wird einschließlich Faserorientierung berechnet von Cadmould 3D-F von Simcon.

Die Beschreibungen der Einzelprojekte sind abrufbar unter der Projektsuche der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe anhand der Förderkennzeichen (FKZ):

• Ford Forschungszentrum Aachen - Bauteilprüfung (FKZ 22011310)

• IAC (International Automotive Components) Group - Spritzgießen von Bauteilen (FKZ 22006211)

• Kunststoffwerk Voerde Hueck & Schade GmbH & Co.KG - Scale-up und Erprobung im Serienmaßstab (FKZ 22006111)

• Simcon Kunststofftechnische Software GmbH - Bauteilberechnungen

• (FKZ 22006011)

• M-Base Engineering und Software GmbH - Untersuchungen zum Faser-Matrix-Verhalten (FKZ 22005611)

• Hochschule Hannover, Institut IfBB - Herstellung der Faser-Polymer-Compounds und -Prüfkörper (FKZ 22005711)

• Hochschule Bremen, Bionik-Innovations-Centrum - Untersuchung und Charakterisierung der Naturfasern (FKZ 22005511)

• Technische Universität Clausthal, Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik - Untersuchungen der NF-Compounds und Prüfkörper (FKZ 22005811)

• Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF Werkstoffprüfung (FKZ 22005911)