Flugzeughersteller auf der ganzen Welt verwenden immer mehr Verbundwerkstoffe anstelle von traditionellen Metallen wie Stahl und Aluminium. Was Verbundwerkstoffe so attraktiv macht, ist ihr hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis - ein Vergleich zwischen ihrer Festigkeit und ihrem Gewicht. Verbundwerkstoffe sind nicht nur eines der stärksten Materialien überhaupt, sondern sie können auch stark sein, ohne schwer zu sein - genau das, was ein Flugzeug braucht.

Betrachten wir einen solchen Hochleistungs-Verbundwerkstoff, der sich gut für komplexe und komplizierte Geometrien eignet, z. B. für Halterungen, Verkleidungen und Gehäuse: Thermoplastische Verbundwerkstoffe aus diskontinuierlichen Langfasern (DLF), die unter Druck geformt werden. Dieses Material verdankt seine strukturellen Eigenschaften in erster Linie der Faserverstärkung. Die Verteilung der diskontinuierlichen Fasern lässt sich steuern und vorhersagen, um die strukturelle Leistung der Formteile zu verbessern. Es ist jedoch nicht einfach, die Leistung mit Hilfe von Computersimulationen vorherzusagen, insbesondere bei diskontinuierlichen und ungeordneten Materialsystemen.

Modelle, die das zukünftige Verhalten von diskontinuierlichem und ungeordnetem Material vorhersagen können, sind sehr gefragt. Travis Mease, Produktmanager für Strukturbauteile bei Greene Tweed, sagt: "Aus Sicht der Leistung und der Risikominderung ist die genaue Vorhersage der Faserorientierung entscheidend. Sie ist ein wichtiger Konstruktionsparameter, der die Dimensionierung unserer Bauteile bestimmt. Greene Tweed hat stark in die Fähigkeit zur Strömungsmodellierung investiert, so dass wir die Werte des Faserorientierungstensors auf FE-Versagensanalysen anwenden können." Seiner Meinung nach ist diese Validierung durch Analyseverfahren für DLF-Verbundwerkstoffteile ein Werkzeug zur Risikominderung, das den Zeit- und Kostenaufwand für Werkzeugkonstruktionen und Neubewertungen reduziert. Die Vorhersage und Validierung der Faserorientierung von DLF-Verbundwerkstoffen ist aufgrund des komplexen Verhaltens der fließinduzierten Faserorientierung bei hoher Faserkonzentration und des Widerwillens, die Orientierung durch Schneiden und Polieren für die optische Mikroskopie zerstörend zu validieren, kompliziert.

Greene Tweed (GT) erkannte die Bedeutung der Bewertung der Faserorientierung in formgepressten DLF-Verbundwerkstoffen. Die GT-Ingenieure verwendeten ein modifiziertes Autodesk Moldflow-Programm, das für die Vorhersage der Faserorientierung bei der Simulation des Formpressens von DLF-Bauteilen verschiedener Formen und Geometrien, wie Halterungen, Strukturkomponenten, Verkleidungen und Gehäusen, angepasst wurde. Anschließend wurden die Ergebnisse der Fließmodellierung der Faserorientierung für die Finite-Elemente-Strukturanalyse verwendet, um die Leistung von DLF-Bauteilen unter verschiedenen Belastungsbedingungen vorherzusagen. Laut Mease liefert dieses Verfahren genauere, auf das jeweilige Bauteil zugeschnittene Ergebnisse im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten allgemeinen Annahmen. Er erklärt: "Jedes Teil hat seinen eigenen, einzigartigen Materialeinführungspunkt und seine eigene Geometrie, was zu ebenso einzigartigen Strömungs- und Faserorientierungsmustern führt. Je genauer die Strömungsmodellierung ist, desto zuverlässiger sind unsere Spannungs- und Versagensvorhersagen."

Um die Ergebnisse zu validieren, verglichen die GT-Ingenieure die Vorhersagen unseres Modells mit computertomographischen (CT) Analysen tatsächlicher Bauteile. Nach umfangreichen Tests stellten sie eine quantitative und qualitative Übereinstimmung zwischen den GT-Vorhersagen zur Faserorientierung und den experimentellen CT-Analyseergebnissen für DLF-Verbundteile fest. Die Modellierung der Faserorientierung und des Fließpressverfahrens zeigte gute Vorhersagefähigkeiten für die lokale Variation und Verteilung der Faserorientierung in formgepressten thermoplastischen DLF-Verbundstoffteilen, unabhängig von Größe, Vielfalt und Formkomplexität. Und das ist noch nicht alles. Diese Vorhersagefähigkeit bedeutet, dass die Schadensauslösung und der Versagensmodus des Bauteils durch die Vorhersage der Faserorientierung visuell erklärt werden können.

Dadurch ist Greene Tweed nun in der Lage, vorherzusagen, wie, wann und wo ein Bauteil versagen wird, und kann außerdem eine erfolgreiche Optimierung der Verbundwerkstoffe sicherstellen, die umfangreiche Gewichtseinsparungen, Kostenreduzierungen und Sicherheitsmargen beinhaltet. Durch diese Vorhersagefähigkeit entfällt außerdem die Notwendigkeit, mehrere Iterationen durchzuführen, so dass Greene Tweed besser in der Lage ist, die geplanten Fristen unserer Kunden einzuhalten. Bitte wenden Sie sich an einen Vertreter von Greene Tweed, um mehr darüber zu erfahren, wie eine diskontinuierliche thermoplastische Lösung den mechanischen Belastungen Ihrer Anwendung standhalten kann.

Sie können auch mögen:

DLF Verbundwerkstoffe: Was Sie wissen müssen

Warum Metalle durch Compression Molded ersetzen DLF-Verbundwerkstoffe?