Entwicklung einer CAE-Technologie zur Realisierung einer hochpräzisen Bruchlastvorhersage

Einführung

Bei Asahi Kasei entwickeln wir CAE-Techniken für den Metallersatz durch unsere technischen Kunststoffe, um leichtere Komponenten zu entwickeln. Durch die Einbeziehung bruchmechanischer Parameter in unsere FE-Simulationen ermöglichen unsere neuen CAE-Techniken eine präzisere Vorhersage der maximalen Bruchlast von Komponenten im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Dies führt zu leichteren und zuverlässigeren Komponentenkonstruktionen. Um unsere CAE-Fähigkeiten weiterzuentwickeln, führen wir Forschungskooperationen mit dem Imperial College London (ICL, Großbritannien) durch. Auf dieser Seite finden Sie einen Überblick über dieses Forschungsprojekt am ICL.

Hintergrund

Spritzgegossene (IM) kurzfaserverstärkte Thermoplaste (SFRPs) sind leichte Werkstoffe, die sich für Massenanwendungen eignen. Aktuelle FE-Simulationsmethoden für diese Komponenten können jedoch noch kein Versagen basierend auf Versagensbeginnkriterien präzise vorhersagen. Diese Arbeit stellt eine Methodik zur präzisen Vorhersage des Versagens von IM-SFRP-Teilkomponenten vor, basierend auf experimentell gemessenen Bruchmechanikparametern mittels Kohäsionszonenmodellierung (CZM). ^​​
*Zitat: Papier ①, ②

Charakterisierung bruchmechanischer Parameter

―― Besonderheit von Spritzgussmaterialien: Faserausrichtung und anisotropes Verhalten

Im Rahmen dieser Forschung wurden die unten gezeigten IM-Platten hergestellt und zur Materialcharakterisierung verwendet. In IM-SFRPs richten sich die Fasern in Fließrichtung nahe der Formoberfläche aus. Diese Faserausrichtung führt zu einer Änderung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom Prüfwinkel (Anisotropie). Die Details dieser Anisotropie werden in „Teil 9: Orientierung in faserverstärktem Kunststoff“ erläutert.

―― Charakterisierung der Dehnungsenergiefreisetzungsrate von IM-SFRPs

Die Freisetzungsrate der Dehnungsenergie von IM-SFRPs wurde mittels Compact Tension (CT)-Test gemessen. Die in Abb. 2 gezeigten CT-Proben wurden in verschiedenen Winkeln aus den IM-Platten herausgearbeitet und durch Aufbringen der Last mittels kontinuierlicher quasistatischer Verschiebungskontrolle der in Abb. 3 gezeigten Belastungsstifte geprüft. In diesem Test wurde eine stabile Rissausbreitung von der initialen Rissspitze aus beobachtet.

Die erhaltenen Testergebnisse wurden in R-Kurven umgewandelt, und der Plateaubereich der Kurve wurde als kritische Dehnungsenergiefreisetzungsrate des Materials verwendet. Diese Dehnungsenergiefreisetzungsraten wurden nicht nur von den Faserorientierungszuständen, sondern auch von den Testtemperaturen und Feuchtigkeitsbedingungen beeinflusst. Die Details der Testmethodik und des Datenreduktionsprozesses sind in unserem Zeitschriftenartikel (Artikel ①) beschrieben.

―― Einfluss der Faserorientierung auf die Freisetzungsrate der Dehnungsenergie

Die Bruchflächen der CT-Proben wurden nach der Prüfung mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) untersucht. In 0°-Richtung zeigte sich ein Faserbruch mit plastischer Matrixverformung, anschließend ein Matrixscherbruch in 45°-Richtung und ein Matrixquerzugbruch in 90°-Richtung. Wir gehen davon aus, dass diese Veränderungen der Schadensmechanismen eng mit der Zunahme/Abnahme der Dehnungsenergiefreisetzungsraten zusammenhängen.

CAE-Fallstudien

―― FE-Simulation von CT-Tests

Es wurde eine FE-Simulation des CT-Tests durchgeführt und die Ergebnisse mit den Testergebnissen verglichen. Die in unserer FE-Simulation (CZM) verwendeten Parameter wurden mit experimentell gemessenen Dehnungsenergiefreisetzungsraten kalibriert. Dabei zeigte unsere FE-Simulation eine hervorragende Übereinstimmung der Anfangssteifigkeit, der Spitzenlast und des Nachspitzenverhaltens im Vergleich zu den Testergebnissen.

―― Validierung der FE-Simulationsmethodik im Subkomponentenmaßstab

Die unten gezeigten Unterkomponenten wurden hergestellt und mittels quasistatischer Eindrückung geprüft. Die Abbildung (rechts) zeigt die Last-Verschiebungs-Kurven der Unterkomponententests aus FE-Simulationen und Experimenten. Das in kommerzieller Software verfügbare Versagenskriterium (in diesem Beispiel das Tsai-Hill (TH)-Kriterium) unterschätzte die maximale Versagenslast um etwa 20 %, während FE-Simulationen mit CZM (kalibriert mit experimentellen Dehnungsenergiefreisetzungsraten) eine hervorragende Versagensvorhersage mit einer Fehlertoleranz von 3 % im Vergleich zu den Tests zeigten. Dieses Ergebnis zeigt, dass unsere CAE-Technik eine präzise Versagensvorhersage ermöglicht und so leichtere und zuverlässigere Komponenten konstruieren kann.

Publikationen und Konferenzbeiträge

Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in renommierten Fachzeitschriften veröffentlicht und auf internationalen/japanischen Konferenzen vorgestellt, wie unten beschrieben.

―― Zeitschriftenartikel

① „Initiierungs- und Ausbreitungsbruchzähigkeit von spritzgegossenen Kurzfaser-Verbundwerkstoffen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen“ (2023) (https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109891)
Autoren: Yuki Fujita ^1,2,3, Satoshi Noda ¹, Junichi Takahashi ², Emile S. Greenhalgh ³, Soraia Pimenta ³,
② „Vorhersage von Ausfällen in spritzgegossenen Kurzfaser-Teilkomponenten unter verschiedenen Umgebungsbedingungen durch Bruchmechanik“ (2024) (https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111343)
Autoren: Yuki Fujita ^1,2.3, Satoshi Noda ¹, Junichi Takahashi ², Emile S. Greenhalgh ⁴, Soraia Pimenta ³,

Zugehörigkeit:
1. CAE-Entwicklungsabteilung, Labor für nachhaltige Polymere, Asahi Kasei Corporation
2. Technische CAE-Abteilung, Produktionstechnologiezentrum, Asahi Kasei Corporation
3. Fakultät für Maschinenbau, Imperial College London
4. Fakultät für Luftfahrt, Imperial College London

―― Konferenzpräsentationen

・Internationale Konferenz zum Thema Verbundwerkstoffprüfung und Modellidentifikation (2021)
・Europäische Konferenz für Verbundwerkstoffe (2022)
・Tag der Materialtechnologie (2023)
・Internationale Konferenz zu Verbundwerkstoffen (2023)
・ECCOMAS COMPOSITES 2023 (2023)
・Japanische Konferenz zu Verbundwerkstoffen (2024) *Preis für die beste Präsentation
・Europäische Konferenz für Verbundwerkstoffe (2024)
・Japanische Konferenz zu Verbundwerkstoffen (2025)

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