Autor: Maiko Ersch

Spritzgegossene langfaserverstärkte thermoplastische Werkstoffe (LFT) setzen sich zunehmend auch für den Einsatz in hoch beanspruchten Strukturbauteilen durch. Das Potenzial von LFT wird derzeit jedoch oft noch nicht ausgeschöpft, da für eine Erschließung neuer Anwendungen die Verfügbarkeit zuverlässiger Berechnungsverfahren eine der Grundvoraussetzungen ist. Dazu gehört unter anderem das kurzzeitdynamische Werkstoffverhalten, da LFT gerade auch in Strukturbauteilen eingesetzt werden, in denen das Crashverhalten von zentraler Bedeutung ist. In dieser Arbeit werden ein physikalisch basierter Ansatz zur Beschreibung des mechanischen Werkstoffverhaltens von LFT im kurzzeitdynamischen Belastungsbereich und die dafür notwendigen Charakterisierungsmethoden auf der Mikroebene vorgestellt. Insbesondere wird der Aspekt der Faserkrümmung intensiv betrachtet, da er die treibende Größe der resultierenden makroskopischen Werkstoffeigenschaften darstellt. Die Basis bilden mechanische Untersuchungen auf sowohl mikroskopischer als auch makroskopische Ebene, um den Einfluss der Faserlänge und -krümmung auf das Werkstoffverhalten zu untersuchen. Es werden Einzelfaserprobekörper entwickelt, die sowohl dem thermoplastischen Matrixwerkstoff als auch der Prozesshistorie des Spritzgießens gerecht werden sowie ein Baukasten vorgestellt, mit dem sich bei erfolgreicher Kalibrierung virtuell Versuche auf Einzelfaserebene durchführen lassen, um Effekte der Faserkrümmung untersuchen zu können. Abschließend wird eine neu entwickelte Methode vorgestellt, mit der die Mikrostruktur faserverstärkter Kunststoffe aus computertomographischen Aufnahmen extrahiert und für weitere Untersuchungen verwendet werden kann. Es wird gezeigt, wie sich einzelne Fasern separieren und anschließend hinsichtlich ihrer geometrischen Eigenschaften vermessen lassen. Aus diesen Untersuchungen wird die Kenngröße der Krümmungsindikation abgeleitet, mit der sich die Faserkrümmungsverteilung als Eingangsgröße für Homogenisierungsmethoden umsetzen lässt. Unter Zuhilfenahme aller Erkenntnisse wird eine integrative Simulationsmethode entwickelt und validiert, mit der sich der lokale mikromechanische Zustand aus Faserlänge, -volumengehalt, -krümmung, -orientierung für explizite Berechnungsmethoden berücksichtigen lässt.

Spritzgegossene langfaserverstärkte thermoplastische Werkstoffe (LFT) setzen sich zunehmend auch für den Einsatz in hoch beanspruchten Strukturbauteilen durch. Das Potenzial von LFT wird derzeit jedoch oft noch nicht ausgeschöpft, da für eine Erschließung neuer Anwendungen die Verfügbarkeit zuverlässiger Berechnungsverfahren eine der Grundvoraussetzungen ist. Dazu gehört unter anderem das kurzzeitdynamische Werkstoffverhalten, da LFT gerade auch in Strukturbauteilen eingesetzt werden, in denen das Crashverhalten von zentraler Bedeutung ist. In dieser Arbeit werden ein physikalisch basierter Ansatz zur Beschreibung des mechanischen Werkstoffverhaltens von LFT im kurzzeitdynamischen Belastungsbereich und die dafür notwendigen Charakterisierungsmethoden auf der Mikroebene vorgestellt. Insbesondere wird der Aspekt der Faserkrümmung intensiv betrachtet, da er die treibende Größe der resultierenden makroskopischen Werkstoffeigenschaften darstellt. Die Basis bilden mechanische Untersuchungen auf sowohl mikroskopischer als auch makroskopische Ebene, um den Einfluss der Faserlänge und -krümmung auf das Werkstoffverhalten zu untersuchen. Es werden Einzelfaserprobekörper entwickelt, die sowohl dem thermoplastischen Matrixwerkstoff als auch der Prozesshistorie des Spritzgießens gerecht werden sowie ein Baukasten vorgestellt, mit dem sich bei erfolgreicher Kalibrierung virtuell Versuche auf Einzelfaserebene durchführen lassen, um Effekte der Faserkrümmung untersuchen zu können. Abschließend wird eine neu entwickelte Methode vorgestellt, mit der die Mikrostruktur faserverstärkter Kunststoffe aus computertomographischen Aufnahmen extrahiert und für weitere Untersuchungen verwendet werden kann. Es wird gezeigt, wie sich einzelne Fasern separieren und anschließend hinsichtlich ihrer geometrischen Eigenschaften vermessen lassen. Aus diesen Untersuchungen wird die Kenngröße der Krümmungsindikation abgeleitet, mit der sich die Faserkrümmungsverteilung als Eingangsgröße für Homogenisierungsmethoden umsetzen lässt. Unter Zuhilfenahme aller Erkenntnisse wird eine integrative Simulationsmethode entwickelt und validiert, mit der sich der lokale mikromechanische Zustand aus Faserlänge, -volumengehalt, -krümmung, -orientierung für explizite Berechnungsmethoden berücksichtigen lässt.