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Auslegung und Dimensionierung von kurzfaserverstärkten Spritzgussbauteilen

Pflamm-Jonas, Thorsten :
Auslegung und Dimensionierung von kurzfaserverstärkten Spritzgussbauteilen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2001)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Auslegung und Dimensionierung von kurzfaserverstärkten Spritzgussbauteilen
Language: German
Abstract:

In den letzten Jahren erschlossen sich den kurzfaserverstärkten thermoplastischen Werkstoffen, gerade für höher und hochbeanspruchte Bauteile, zahlreiche neue Einsatzgebiete. Mit der Forderung nach Einsparung von Zeit und Kosten bei der Bauteilentwicklung gewinnt die rechnerische Auslegung von hochbeanspruchten Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Neben den herkömmlichen analytischen Berechnungsmethoden gehören numerische Verfahren wie beispielsweise Finite-Element-Methoden (FEM) mittlerweile zum Standardrepertoire der Konstruktions- und Berechnungsabteilungen. Die FEM hilft, den Werkstoffeinsatz und damit die Bauteilmasse zu minimieren. Dies bedeutet aber auch, dass die Betriebsbeanspruchungen näher an die Versagensgrenzen heranrücken müssen. Während durch ständige Zunahme der Rechnerleistung in den letzten Jahren ein befriedigendes Maß bei den Berechnungsgeschwindigkeiten erreicht wurde, stellt die Abbildung des Werkstoffverhaltens sowohl durch Materialgesetze als auch durch einfache Experimente noch immer einen wesentlichen Schwachpunkt der Auslegung dar. An Polybutylenterephthalat mit 30 Gew% Glasfasern (PBT-GF30) und Polyamid 6.6 mit 25 Gew% Glasfasern (PA66-GF25) wird gezeigt, wie es möglich ist, die ermittelten Faserorientierungen aus Spritzgießsimulationen in eine Steifigkeitssimulation oder Kriechsimulation zu implementieren. Bei der dargestellten Vorgehensweise ist es notwendig, die elastischen Eigenschaften eines Verbundes mit unidirektional orientierten Fasern zu ermitteln. Diese Eigenschaften können unter Zuhilfenahme von mikromechanischen Werkstoffmodellen (wie zum Beispiel die Halpin-Tsai-Gleichung) berechnet werden. Doch die vereinfachten Annahmen, die diesen Berechnungen zu Grunde liegen, führen in der Regel zu einer zu steifen Abbildung des Verbundes. Es ist daher sinnvoll, die elastischen Kennwerte und das Kriechverhalten experimentell zu ermitteln. Die folgenden Simulationen zeigen, dass es an einfachen Probekörpern möglich ist das elastische Materialverhalten in Abhängigkeit der Faserorientierung zu simulieren. Der Fehler dieser Simulationen liegt unter zehn Prozent. Die Simulation des Kriechverhaltens erfolgte auf zwei unterschiedliche Arten. Zum Einen wurde eine isotrope Simulation durchgeführt, bei der die Faserorientierungen nicht berücksichtigt wurden. Zum Anderen fand eine anisotrope Berechnung statt. Die Simulationsprogramme sehen eine direkte Eingabe von richtungsabhängigen Kriechfunktionen nicht vor. Das anisotrope Kriechen wird in der Weise definiert, dass mit einer anisotropen Vergleichsspannung nach dem Hill-Potential gerechnet wird. Die Simulationen des anisotropen Kriechverhaltens zeigen, dass, wenn die Faserorientierungen genau genug bestimmt werden können, die Fehler kleiner fünfzehn Prozent liegen. Das Simulationsmodell wurde dann auf ein Praxisbauteil angewendet. Bei diesen Berechnungen wurde aber ein Simulationsfehler von vierzig Prozent erreicht. Der Grund für den nicht akzeptablen Simulationsfehler liegt in der Tatsache, dass die Faserorientierungen nicht genau genug simuliert werden können. Obwohl deshalb eine exakte Beschreibung des Kriechverhaltens nicht möglich ist, liefert das entwickelte Verfahren doch eine praktisch brauchbare Abschätzung der Kriecheigenschaften der Verbundwerkstoffe.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
During the last years short fiber reinforced thermoplastics have become more and more interesting for example when used for parts that underlay high stresses. To utilize all the properties of these injection molded component parts it is normally necessary to carry out an extensive development and pre-design. Two of the major problems are the high costs and the amount of time these developments normally take. Accordingly the simulation of short fiber reinforced thermoplastics became more and more interesting. The performance of the newest computers does no longer represent a big problem for the simulation. The weakest point of the calculation is the selection of the material laws and also their experimental determination. It is shown how it is possible to implement the fiber orientation - simulated with injection molding simulation programs (Cadmould, Moldflow and C-Mold) - into a stiffness or creep analysis on Polybutylenterephthalate with 30% glass fibers (PBT-GF30) and Polyamide 6.6 with 25% glass fibers (PA66-GF25). In the following it is necessary to determine the elastic and creep behavior of a composite with unidirectional orientated fibers. On one side it is possible to calculate these properties using micro-mechanical material models (such as the Halpin-Tsai-Equation). But the simplified terms of these calculations normally lead to a result that describes the mechanical behavior too stiff. So it seems on the other side more useful to determine the elastic and the creep behavior using experimental data. The following simulations on simple test specimens show that it is possible to simulate the elastic behavior with good exactness. The error of these simulations is under ten percent. The creep behavior can be simulated in two different ways. On one hand an isotropic calculation is standard at the moment. The composite is described in every direction with the same creep equation. On the other hand the creep behavior can be simulated in an anisotropic way. The simulation-programs do not allow a direct implementation of the four transversal isotropic creep equations. The simulation of the creep behavior can be carried out with the help of the Hill-Potential by which an anisotropic equivalent stress can be defined. When it is possible to implement the right fiber orientation the error of these anisotropic creep-simulations is under fifteen percent. The anisotropic simulation method developed at the test samples was transferred to a construction component, but the error of these simulations is 40 percent. The reason for the still not good enough results of the component simulation is the too inaccurate simulation of the fiber orientation. At the moment the simulation programs are not able to calculate the fiber orientation in an accurate way. Though the exact simulation of the creep behavior of complex components is not possible, the developed simulation method gives engineers a practical possibility to estimate the creep behavior of short fiber reinforced thermoplastics.English
Uncontrolled Keywords: Glasfaserverstärkte Kunststoffe, Kurzfaserverstärkung, Faserorientierung, Auslegung, Dimensionierung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Glasfaserverstärkte Kunststoffe, Kurzfaserverstärkung, Faserorientierung, Auslegung, DimensionierungEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:46
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000126
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1262
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Mennig, Prof.Dr. Günter and Rödel, Prof.Dr. Jürgen
Advisors: Exner, Prof.Dr. Hans-Eckart
Refereed: 19 February 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/126
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