FEM: Kurzfaserverstärkte Kunststoffe isotrop rechnen – sollte man das?

Immer häufiger werden Bauteile aus Metall durch Kunststoffe substituiert. Durch die wesentlich geringere Steifigkeit von Kunststoffen werden oft Kurzglasfasern mit einer Länge von unter einem Millimeter zugesetzt. Längs und quer zu einer Faser besitzt das Material allerdings unterschiedliche Materialeigenschaften. Welches Materialverhalten nimmt man bei einer strukturmechanischen FEM-Berechnung also an?

Kennwerte der Materialhersteller stammen in der Regel aus spritzgegossenen Zugproben, hier liegen die Fasern im Messbereich aber relativ hochorientiert. Werden diese Materialkennwerte mit einer isotropen Materialmodellierung verwendet, wird das Material wesentlich überschätzt.
Die Lösung: anisotropes Materialmodell. Mit einer Spritzgusssimulation werden zunächst die Faserorientierungen im Bauteil ermittelt. Diese werden auf das strukturmechanische Berechnungsmodell gemappt und an jeder Stelle des Bauteils auf Basis der lokalen Faserorientierung ein anisotropes Material definiert. Auch elasto-plastisches oder dehnratenabhängiges Materialverhalten kann berechnet werden.

An einer Druckplatte für Rohrdurchführungen an Gebäuden aus einem PA66-GF35 wurden Versuche bis zum Bruch durchgeführt. Das Bauteil ist viertelsymmetrisch, der Anspritzpunkt wird allerdings außermittig gesetzt. Die Berechnung mit isotropem Materialmodell prognostiziert bei der im Versuch ermittelten Kraft bei Initialbruch einen Auslastungsgrad von 75 %. Die Stelle des Initialbruchs kann aufgrund der Symmetrie nicht lokalisiert werden. Die FEM-Berechnung mit anisotropem Materialmodell ergibt eine Punktlandung, Auslastungsgrad 100 %. Auch die Stelle des Initialbruchs kann identifiziert werden.

Der Mehraufwand für eine Berechnung mit anisotropem Material ist das Aufbauen des anisotropen Materialmodells und das Durchführen einer Spritzgusssimulation zur Ermittlung der Faserorientierung. Da für die Werkzeugauslegung meist ohnehin eine solche Simulation durchgeführt wird, fällt die Information der Faserorientierung quasi als Nebenprodukt an. Die strukturmechanische Berechnung selbst fordert keinen wesentlichen Mehraufwand im Vergleich zu einer herkömmlichen Simulation. Der Mehrwert ist ein wesentlich präziseres Ergebnis der Simulation!

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