Thermoplastische Kunststoffe werden zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften häufig mit Kurzfasern verstärkt, wodurch sich jedoch eine anisotrope Eigenschaftscharakteristik einstellt. Dies führt oftmals zu ungewohntem Werkstoff- und Bauteilverhalten. Die Fertigungsparameter und -randbedingungen im Spritzgießprozess besitzen einen großen Einfluss auf lokale Faserorientierungen, wovon auch die globalen Bauteileigenschaften abhängen. Für eine werkstoffgerechte Auslegung von derartigen Bauteilen sind tiefgreifende Verständnisse über die mechanischen, thermischen und rheologischen Eigenschaften sowie die Kopplung von Spritzgieß- und Bauteilsimulation unerlässlich. Diese sogenannte integrative Simulation wird am Beispiel eines Strukturbauteiles aufgezeigt.

Thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile im Automobil erfordern den Einsatz hochbeständiger Werkstoffe, bei gleichzeitig niedrigen Materialkosten und effizienter Verarbeitung. Rieselfähige Phenolharzformmassen zeichnen dabei eine Werkstoffklasse aus, die aufgrund ihres Eigenschaftsprofils neue Anwendungsbereiche für einen polymeren Werkstoffeinsatz ermöglichen können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden im Hinblick auf eine Bauteilentwicklung mithilfe der integrativen Simulation die Grundlagen einer ganzheitlichen Simulationskette der Prozess- und Struktursimulation von rieselfähigen Phenolharzen mit Kurz- und Langglasfaserverstärkung erarbeitet. Das auf Basis umfangreicher Prozessuntersuchungen abgeleitete Strömungsverhalten kann mithilfe des Block-/Scherströmungsmodells beschrieben werden. Die Ergebnisse der Mikrostrukturanalyse zeigen jedoch eine Orientierungsdynamik der Fasern, welche zum gegenwärtigen Zeitpunkt mithilfe der empirischen Modelle der klassischen Spritzgießsolver nicht abgebildet werden kann. Die mikromechanische Materialmodellierung erfolgt entsprechend an der experimentell ermittelten Mikrostruktur, welche die Berücksichtigung von Faserbündelungen und -krümmungen in der mechanischen Strukturanalyse erlaubt. Das abgeleitete elastoplastische Materialmodell wird zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens unter harmonischer und nichtharmonischer Schwingbeanspruchung um ein zyklisches Versagensmodell erweitert, welches eine mittellast- und temperaturunabhängige Berechnung unter Berücksichtigung der Anisotropie ermöglicht. Die Validierung der statischen und schwingenden Beanspruchung erfolgt an einer einfachen Probestabgeometrie sowie einem Strukturbauteil, einem PKW-Motorträger. / Thermally and mechanically highly stressed automotive components require the use of highly resistant materials, with low material costs and efficient processing. Phenolic resin molding compounds represent a class of materials, which can open up new applications for a polymeric material use due to their property profile. In the present work, the fundamentals of a simulation chain of fluid mechanical and structural simulation of phenolic resins with short and long glass fiber reinforcement are developed, with a view to component development using integrative simulation. Based on extensive process investigations the derived flow behavior can be described using the block/ shear flow model. However, the results of microstructure analysis show a dynamic of fiber orientation, which can not be predicted at the present time using the empirical models of classical injection molding simulation. Accordingly, the micromechanical modeling is carried out at the experimentally determined microstructure. That allows the inclusion of fiber bundling and bending in the mechanical structure analysis. The derived elastoplastic material model is extended by a fatigue failure model to predict the fatigue behavior under harmonic and non-harmonic cyclic stress which allows a calculation taking into account the anisotropy, the stress ratio and the temperature. The validation of the static stress and fatigue is performed both on a simple test bar geometry and a structural component, an automotive engine bracket.

Thermoplastische Kunststoffe werden zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften häufig mit Kurzfasern verstärkt, wodurch sich jedoch eine anisotrope Eigenschaftscharakteristik einstellt. Dies führt oftmals zu ungewohntem Werkstoff- und Bauteilverhalten. Die Fertigungsparameter und -randbedingungen im Spritzgießprozess besitzen einen großen Einfluss auf lokale Faserorientierungen, wovon auch die globalen Bauteileigenschaften abhängen. Für eine werkstoffgerechte Auslegung von derartigen Bauteilen sind tiefgreifende Verständnisse über die mechanischen, thermischen und rheologischen Eigenschaften sowie die Kopplung von Spritzgieß- und Bauteilsimulation unerlässlich. Diese sogenannte integrative Simulation wird am Beispiel eines Strukturbauteiles aufgezeigt.

Der großindustrielle Einsatz von langfaserverstärkten Kunststoffen in strukturell tragenden Strukturen steht aufgrund der komplexen Abhängigkeit des Eigenschaftsprofils von den gewählten Herstellungsrandbedingungen noch immer am Anfang. Während der Herstellung können sich die Fasern innerhalb der Polymermatrix, aufgrund von unterschiedlichen Wechselwirkungen umorientieren. Darüber hinaus kann es während der Formfüllung von komplexen Strukturbereichen zu einer Faser-Matrix-Separation (FMS) kommen. Eine zuverlässige Vorhersage des Bauteilverhaltens kann daher nur erreicht werden, wenn technologische Einflüsse aus der gesamten Historie des Herstellungsprozesses berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit einer vollständig durchgängigen virtuellen Prozesskette am Beispiel eines glasfaserverstärkten SMC-Werkstoffs entwickelt und anhand unterschiedlicher Kriterien bewertet. Aufgrund der großen Auswahl an unterschiedlichen Lösungsansätzen zur Umsetzung einer integrativen Simulationskette besteht aktuell noch eine große Unsicherheit bei der Nutzung und Anwendung der unterschiedlichen Tools. Dahingehend soll diese Arbeit dem Anwender eine Entscheidungshilfe geben, indem die vorgestellten Modelle anhand von zwei unterschiedlichen komplexen Bauteilformen mittels unterschiedlicher Kriterien sowohl in der Abschätzung der Herstellungsgenauigkeit als auch in der mechanischen Auslegung mittels einer integrativen Simulation getestet und verglichen werden.:1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Zielsetzung 2 Stand der Forschung 2.1 Sheet Moulding Compound 2.1.1 Definition und Charakteristika 2.1.2 Verarbeitung von SMC-Halbzeugen 2.2 Prozessinduzierte Eigenschaftsverteilung bei SMC-Werkstoffen 2.2.1 Faser-Suspensions-Regionen 2.2.2 Faserorientierungsverteilung 2.2.3 Faser-Matrix-Verteilung 2.2.4 Einfluss der Fasertopologie auf die mechanischen Eigenschaften von SMC-Werkstoffen 3 Integrative Simulation von langfaserverstärkten Pressmassen 3.1 Fließpresssimulation SMC 3.1.1 Grundlagen der Prozesssimulation für die SMC-Verarbeitung 3.1.2 Überblick Prozesssimulationsmethoden 3.1.3 Tensorbasierte Ansätze 3.1.4 Direktmodellierte Ansätze 3.2 Mappingverfahren für integrative Simulation 3.3 Struktursimulation für SMC-Werkstoffe 3.3.1 Grundlagen der Struktursimulation 3.3.2 Übersicht verwendeter Homogenisierungsansätze 3.3.3 Effektive-Feld-Theorie 3.3.4 Festigkeits- und Versagenskriterien 4 Materialcharakterisierung von SMC 4.1 Materialauswahl und Probenherstellung 4.1.1 Materialsystem 4.1.2 Probenherstellung 4.1.3 Bewertung der Pressprofile zur Probenherstellung 4.2 Ermittlung der prozesstechnischen Parameter 4.2.1 Dichte und thermische Eigenschaften 4.2.2 Rheologische Eigenschaften 4.2.3 Faser-Interaktionskoeffizienten 4.2.4 Mechanische Faserkennwerte 4.3 Analyse der Faserverteilung und -architektur 4.3.1 Präparation der Prüfkörper 4.3.2 Analyse des Faservolumengehalts 4.3.3 Analyse der Faserarchitektur 4.3.4 In-Situ CT-Analyse 4.4 Werkstoffmechanische Charakterisierung 4.4.1 Harzpaste 4.4.2 Zugversuch 4.4.3 Biegeversuch 4.4.4 Validierungstest auf Komponentenebene – Punchtest 4.4.5 Validierungstest auf Komponentenebene – Wabendrucktest 5 Ergebnisse der Prozesssimulation für die SMC-Verarbeitung 5.1 Kriterien zur Bewertung der SMC-Prozesssimulation 5.1.1 Annahmen 5.1.2 Bewertungskriterien 5.2 Prozesssimulation der Plattengeometrie 5.2.1 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 5.2.2 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 5.2.3 Kinematisches Modell 5.2.4 Stokes’sches-Dynamik-Modell – schwache Kopplung 5.2.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 5.2.6 Bewertung und Vergleich 5.3 Prozesssimulation der Wabengeometrie 5.3.1 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 5.3.2 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 5.3.3 Kinematisches Modell 5.3.4 Stokes’sches-Dynamik-Modell – schwache Kopplung 5.3.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 5.3.6 Bewertung und Vergleich 6 Integrative Struktursimulation für die SMC-Verarbeitung 6.1 Numerische Methoden – Annahmen und Modellbeschreibung 6.2 Validierung des prozesssimulations-basierten integrativen Simulationsansatzes – Grundlagenversuche 6.2.1 CT-basierter Ansatz 6.2.2 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 6.2.3 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 6.2.4 Kinematisches Modell 6.2.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 6.2.6 Keine Berücksichtigung von prozessintegrierten Daten 6.2.7 Bewertung und Vergleich der Grundlagenversuche 6.3 Validierung des prozesssimulations-basierten integrativen Simulationsansatzes – Wabendruckversuche 6.3.1 CT-basierter Ansatz 6.3.2 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 6.3.3 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 6.3.4 Kinematisches Modell 6.3.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 6.3.6 Keine Berücksichtigung von prozessintegrierten Daten 6.3.7 Bewertung und Vergleich der Wabendruckversuche 6.4 Fazit ganzheitlich integrativer Simulationsansätze für die SMC-Verarbeitung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Darstellung Faserorientierungszustände A.2 Analytische Lösung Eshelby Tensor A.3 Rekonstruktion des Faserorientierungstensors 4. Ordnung A.4 Übersicht Herstellungsbedingungen der SMC- und Reinharzprüfkörper A.5 Pressenverläufe der Wabenherstellung A.6 Reaktionsmodell SMC A.7 FVG Ergebnisse aus CT-Analyse der Wabenkonfiguration A und B A.8 Auswertung FOT Prozesssimulation UT30 und UT90 A.9 Herleitung Hele-Shaw-Ansatz A.10 Auswertung FVG der Wabenkonfiguration A und B – feines Netz A.10.1 Tensorbasiertes Modell A.10.2 Kinematisches Modell A.10.3 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung A.11 Auswertung Steifigkeit und Festigkeit – Grundlagenversuche A.12 Darstellung Kraft-Weg- und Energie-Weg-Verläufe – Wabendruckversuche

Thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile im Automobil erfordern den Einsatz hochbeständiger Werkstoffe, bei gleichzeitig niedrigen Materialkosten und effizienter Verarbeitung. Rieselfähige Phenolharzformmassen zeichnen dabei eine Werkstoffklasse aus, die aufgrund ihres Eigenschaftsprofils neue Anwendungsbereiche für einen polymeren Werkstoffeinsatz ermöglichen können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden im Hinblick auf eine Bauteilentwicklung mithilfe der integrativen Simulation die Grundlagen einer ganzheitlichen Simulationskette der Prozess- und Struktursimulation von rieselfähigen Phenolharzen mit Kurz- und Langglasfaserverstärkung erarbeitet. Das auf Basis umfangreicher Prozessuntersuchungen abgeleitete Strömungsverhalten kann mithilfe des Block-/Scherströmungsmodells beschrieben werden. Die Ergebnisse der Mikrostrukturanalyse zeigen jedoch eine Orientierungsdynamik der Fasern, welche zum gegenwärtigen Zeitpunkt mithilfe der empirischen Modelle der klassischen Spritzgießsolver nicht abgebildet werden kann. Die mikromechanische Materialmodellierung erfolgt entsprechend an der experimentell ermittelten Mikrostruktur, welche die Berücksichtigung von Faserbündelungen und -krümmungen in der mechanischen Strukturanalyse erlaubt. Das abgeleitete elastoplastische Materialmodell wird zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens unter harmonischer und nichtharmonischer Schwingbeanspruchung um ein zyklisches Versagensmodell erweitert, welches eine mittellast- und temperaturunabhängige Berechnung unter Berücksichtigung der Anisotropie ermöglicht. Die Validierung der statischen und schwingenden Beanspruchung erfolgt an einer einfachen Probestabgeometrie sowie einem Strukturbauteil, einem PKW-Motorträger. / Thermally and mechanically highly stressed automotive components require the use of highly resistant materials, with low material costs and efficient processing. Phenolic resin molding compounds represent a class of materials, which can open up new applications for a polymeric material use due to their property profile. In the present work, the fundamentals of a simulation chain of fluid mechanical and structural simulation of phenolic resins with short and long glass fiber reinforcement are developed, with a view to component development using integrative simulation. Based on extensive process investigations the derived flow behavior can be described using the block/ shear flow model. However, the results of microstructure analysis show a dynamic of fiber orientation, which can not be predicted at the present time using the empirical models of classical injection molding simulation. Accordingly, the micromechanical modeling is carried out at the experimentally determined microstructure. That allows the inclusion of fiber bundling and bending in the mechanical structure analysis. The derived elastoplastic material model is extended by a fatigue failure model to predict the fatigue behavior under harmonic and non-harmonic cyclic stress which allows a calculation taking into account the anisotropy, the stress ratio and the temperature. The validation of the static stress and fatigue is performed both on a simple test bar geometry and a structural component, an automotive engine bracket.