Spezielles Werkzeug

Unidirektionale Probekörper mit Fasern spritzgießen

Ein Werkzeug, das Platten mit definierter Faserrichtung produziert, aus denen Probekörper mit beliebig ausgerichteter Faserorientierung entnommen werden können, soll die präzise Entwicklung von Materialien und Bauteilen unterstützen.

© Daphnusia, Shutterstock

Wie lassen sich die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs bestmöglich ausnutzen? Diese Frage wollen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF mit einem optimierten Spritzgießwerkzeug beantworten. Das Werkzeug führe zur Schonung von Umwelt und Ressourcen, weil sich damit Bauteile mit minimalem Gewicht zuverlässig auslegen lassen. Es ermögliche die Herstellung kurzglasfaserverstärkter unidirektionaler Platten, um daraus hochorientierte Probekörper für Zugversuche anzufertigen. Das Werkzeug wurde so ausgelegt, dass die Verstärkungsfasern näherungsweise unidirektional (UD) in Fließrichtung ausgerichtet sind. Die Probekörper lassen sich aus der Platte im beliebigen Winkel zur Fließrichtung entnehmen, um Parameter für die Materialbeschreibung zu ermitteln. Die neue Probekörpergeometrie soll winkelspezifische Materialkennwerte liefern, somit steigt die Abbildungsgüte der Versuche. Materialien können optimal modelliert und Bauteile simuliert werden, was beim Auslegen eines neuen Bauteils die Präzision erhöht und Wettbewerbsvorteile sichert.

Unabhängig vom Faseranteil erreichen faserverstärkte Kunststoffe unter Belastung parallel zur Faserrichtung ein Vielfaches der Festigkeitswerte wie in Querrichtung. Die analytische Beschreibung der Superposition aus Faser und Matrix über Ansätze der Mikromechanik ist Gegenstand der Forschung. Dringend benötigt werden detaillierte Kenntnisse über makroskopische, richtungsabhängige Materialdaten. Nach derzeitigem Kenntnisstand existiert laut LBF kein allumfassendes Modell, das die Effekte der Anisotropie berücksichtigt. Für die Erfassung der Materialdaten sind Zugversuche unter 0 Grad und 90 Grad zur Fließrichtung erforderlich. Versuche unter weiteren Winkeln sind vorteilhaft für die zuverlässige Modellierung.

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Faserorientierung im Mittelpunkt des Prüfstabes der UD-Platte. © Fraunhofer LBF

Die in der Kunststoffschmelze enthaltenen Fasern richten sich während des Spritzgießens in der Kavität des Werkzeugs aus. Beim Füllen der Kavität entstehen durch die strömungsinduzierte Verteilung der Verstärkungsfasern und formwandnahe Scherkräfte lokal anisotrope Materialeigenschaften. Der Herstellungsprozess muss somit in die Analyse der mechanischen Eigenschaften bei der Bauteilauslegung einbezogen werden. Die integrative Simulation, die die Simulation des Spritzgießvorgangs mit der anschließenden FEM-Berechnung verkettet, ist zu einem mächtigen Werkzeug bei der Bauteilauslegung geworden.

Typischerweise bilden sich bei plattenförmigen Bauteilen im Spritzgießprozess mit faserverstärkten Materialien zwei Randschichten (Orientierung in Fließrichtung) und eine Mittelschicht (Orientierung quer zur Fließrichtung) über die Plattendicke. Diese unterschiedlichen Orientierungen erschweren den Auslegungsprozess.

UD-Platte mit hochorientiertem Prüfstab 40 x 80 x 2 Millimeter. © Fraunhofer LBF

Konzept der UD-Platte
Für die mikromechanische Modellierung und die Definition phänomenologischer Kriterien sind uniaxiale Materialdaten erforderlich. Für eine möglichst werkstoffnahe Beschreibung werden homogene Orientierungszustände bevorzugt. Ein derartiger Zustand ist beispielsweise eine Platte, in der alle Fasern in Fließrichtung orientiert sind. Dann liegt Unidirektionalität (UD) vor.

Die neue UD-Platte ist so ausgelegt, dass sie auf Standard-Spritzgießmaschine hergestellt werden kann. Somit sei sie kostengünstig und auch für KMUs zugänglich. Mit 80 x 40 x 2 Millimeter ist sie doppelt so breit wie die bereits vorhandene UD-Platte, die als Basis diente. Die Probekörper 1BB oder 5B nach ISO 527-2 sind 40 Millimeter lang und lassen sich unter beliebigen Winkel zur Fließrichtung aus der neuen Platte entnehmen. So wird die Platte zu einem einfachen aber elementaren Werkzeug zur Ermittlung der Messdaten für die Weiterentwicklung von Materialmodellen.

Präzision hilft bei der Auslegung
Die neue Platte erlaubt die Extraktion von Probekörpern, die winkelspezifische Materialkennwerte liefern. So lässt sich die Materialmodellierung optimal anpassen, was beim Auslegen eines neuen Bauteils die Präzision steigert und Wettbewerbsvorteile verschafft. Die Ermittlung der winkelabhängigen Kennwerte ist auch im Hinblick auf Umweltschutz relevant: Bauteile, die im frühen Konstruktionsstadium schon zuverlässig ausgelegt werden, können mit minimalem Gewicht und Materialeinsatz entwickelt werden. Das schont Ressourcen.

Zur Prüfung der Werkzeugauslegung werden gemessene Faserorientierungswerte mit den Ergebnissen der Simulation verglichen. Die Simulation bietet ein valides Abbild der wahren Faserorientierung. In der Mittelschicht wird sogar die vorausgesagte Faserorientierung übertroffen. Die Messwerte geben eine Faserorientierung von mindestens 80 Prozent an. Das bedeutet, dass mehr als 80 Prozent der Fasern in Spritzrichtung orientiert sind. Es kann von einem "Nahezu UD-Zustand" gesprochen werden.

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