Struktur- und Prozesssimulation zur Bauteildimensionierung mit thermoplastischen Kunststoffen

Eine gezielte konstruktive Ausnutzung eines Werkstoffes ist nur durch die genaue Kenntnis dessen mechanischer Eigenschaften möglich. Diese sind bei Kunststoffen stark vom Herstellungsprozess, den Umgebungsbedingungen und den eintretenden Lastfällen abhängig und zudem innerhalb eines Bauteiles nicht homogen. Trotz dieser nachteiligen mechanischen Werkstoffeigenschaften sind Kunststoffe kostengünstig mit hohem Automatisierungsgrad, selbst bei komplexen Geometrien, produzierbar. Mit Hilfe von Struktur- und Prozesssimulationen soll die Auslegung von Bauteilen aus Kunststoff, trotz der Vielzahl der auftretenden Beanspruchungssituationen, vereinfacht werden. Damit verknüpft wird der erforderliche Zeit- und Kostenaufwand umso höher, je genauer die Modellierung des Werkstoffverhaltens vorgenommen wird. Es werden die Modelle und Methoden untersucht, die eine Berechnung des Bauteilverhaltens aus Kunststoffen mittels der Finite-Elemente-Analyse ermöglichen. Am Beispiel vierer Polymere mit unterschiedlichen Strukturen und Verstärkungsfaserlängen wird die Abhängigkeit der Ergebnisqualität von den Einflussgrößen und verwendeten Simulationsmethoden beschrieben. Es werden sowohl lineare als auch nichtlineare Berechnungs- und Materialmodellierungsmethoden und ihre jeweilige Kalibrierung dargestellt. Anschließend erfolgt die Wertung der einzelnen Methoden nach dem Aufwand der Beschaffung der notwendigen Daten und dem resultierenden Nutzen der einzelnen Materialmodelle.