Strukturmechanische Simulation eines LFT-Bauteils (links) und CT-Scans der Mikrostruktur an zwei verschiedenen Bauteil-Positionen (rechts). Das neue Mikrostrukturmodell bildet die Werkstoffzustände realitätsgetreu ab.

Strukturmechanische Simulation eines LFT-Bauteils (links) und CT-Scans der Mikrostruktur an zwei verschiedenen Bauteil-Positionen (rechts). Das neue Mikrostrukturmodell bildet die Werkstoffzustände realitätsgetreu ab. Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Um heute das Materialverhalten eines Bauteils aus langfaserverstärkte Thermoplasten (LFT) im Computer auszulegen, verwenden Automobilzulieferer meist etablierte, analytische Methoden für Kurzfaserverbundwerkstoffe. Diese können die Interaktion zwischen den Fasern aber nur stark vereinfacht abbilden. Mit dem neuen Mikrostrukturmodell von Sascha Fliegener vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) lässt sich die Faserstruktur eines LFT-Bauteils realitätsgetreu rekonstruieren. Welche Ausrichtung haben die Fasern an dieser speziellen Stelle im Material? Wie eng liegen die Fasern dort beieinander und welche Länge haben sie? „Damit können wir nun das mechanische Verhalten des Materials und die komplexen Schädigungsvorgänge bei zunehmender Belastung vorhersagen“, erklärt Fliegener.

Die virtuelle Lupe für das Materialverhalten

Mikrostrukturbasiertes FEM-Simulationsmodell für langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT)

Mikrostrukturbasiertes FEM-Simulationsmodell für langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Die zugrundeliegenden mikromechanischen Vorgänge beim Versagen einer Materialprobe sind im Experiment nicht zu sehen. Mithilfe der Simulationsmethode – quasi unter der virtuellen Lupe – kann jedoch sehr gut visualisiert werden, wie sich die mechanischen Spannungen auf der Mikrostrukturebene von der Matrix auf die Fasern umlagern, bis diese schließlich ihre Festigkeitsgrenze erreichen und der Werkstoff versagt.

Zudem ist es möglich, mit den Mikrostrukturdaten der betrachteten Bauteilstelle eine virtuelle Materialprobe im Computer zu generieren. Diese virtuelle Probe kann Fliegener mit strukturmechanischen Simulationen untersuchen und die Materialeigenschaften wie Elastizität, Festigkeit und Kriechverhalten berechnen, die an der betrachteten Stelle im Bauteil auftreten.