Modellierung der Verbundfestigkeit in hinterspritzten thermoplastischen Faserverbundstrukturen

Ressourceneffizienter Leichtbau ermöglicht die Entwicklung und Herstellung technischer Lösungen und Produkte mit einem minimalen Material- und Energieeinsatz bei gleichzeitig maximalem Wirkungsgrad. Insbesondere in der Mobilitätsbranche ist die Reduktion bewegter Massen eine geeignete Maßnahme zur Effizienzsteigerung. Für Mobilitätsanwendungen mit hohen Stückzahlen haben sich als Leichtbauwerkstoffe neben konventionellen Leichtmetallen insbesondere thermoplastische Kunststoffe und Verbundwerkstoffe etabliert. Als innovatives Fertigungsverfahren zur Herstellung strukturell leistungsfähiger und gleichzeitig hoch funktionsintegrierter Bauteile, wurde im vergangenen Jahrzehnt das Hinterspritzverfahren entwickelt. Es vereint die Vorteile etablierter Spritzgießprozesse mit den hervorragenden mechanischen Eigenschaften endlosfaserverstärkter Halbzeuge. Realisiert wird dies durch die Integration thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbunde (TP-FKV) in den Spritzgießprozess und die direkte Ausbildung einer festen Verbindung durch das Überströmen mit Polymerschmelze, wobei die thermoplastischen Materialsysteme interdiffundieren. Die Sicherstellung einer hinreichenden Verbundfestigkeit zwischen TP-FKV und spritzgegossener Struktur stellt ein maßgebliches Auslegungskriterium für hinterspritzte thermoplastische Faserverbundstrukturen dar.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Ausbildung der Verbundfestigkeit während des Hinterspritzprozesses eingehend ergründet, um darauf aufbauend ein geeignetes Modell sowie eine Auslegungsmethodik für die virtuelle Vorhersage der Verbundfestigkeit aufzustellen. Hierfür wird die Phänomenologie des Hinterspritzprozesses und der Festigkeitsevolution zunächst anhand von vereinfachten Prüfgeometrien untersucht und die Einflüsse der Prozessparameter und der jeweiligen Materialspezifikationen analysiert. Die somit ermittelten Abhängigkeiten zwischen den Prozessgrößen des Hinterspritzverfahrens und der Verbundfestigkeit dienen als Validierungsdaten für die anschließende Modellentwicklung. Dazu werden die relevanten material- und prozessspezifischen Effekte abstrahiert und in eine analytische Berechnungsvorschrift überführt. Durch die Beschreibung und Berechnung der Kontaktbedingungen und des Verschmelzungsprozesses im Grenzbereich kann die Verbundfestigkeit lokal evaluiert werden. Die notwendigen Eingangsgrößen des entwickelten Modells werden durch die numerische Simulation des Hinterspritzprozesses ermittelt, wodurch der Grenzschichtzustand orts- und zeitaufgelöst evaluiert werden kann. Zusätzlich liefert die Simulation des Thermoformprozesses des faserverstärkten Halbzeugs Informationen über die vor dem Hinterspritzen vorliegenden Oberflächenzustände, welche in der Modellvorschrift berücksichtigt werden können. Anhand eines Demonstrationsszenarios wird die Modellierungs- und Berechnungsmethodik vollständig durchgeführt, um die Verbundfestigkeitsverteilung in der Grenzschicht für eine anwendungsnahe Struktur vorherzusagen. Auf diese Weise wird das Transferpotenzial dieser Arbeit aufgezeigt.