Simulative Abbildung von Umformprozessen bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen

Zunehmende Ressourcenknappheit fossiler Energieträger, politische Restriktionen hinsichtlich der CO2-Emissionen sowie eine ansteigende Urbanisierung beeinflussen die zukünftigen Mobilitätsanforderungen [1]. Eine Möglichkeit, um diesen Anforderungen entgegenzutreten, stellt das Konzept der E-Mobilität dar, dessen effiziente Umsetzung grundlegend andere Herausforderungen an die zukünftige Fahrzeugarchitektur stellt [2]. Einen wesentlichen Einflussfaktor ist durch die deutlich geringere Energiedichte elektrischer Energiespeicher gegenüber fossilen Energieträgern gegeben, wodurch sich bei vergleichbarer Energiemenge eine erhebliche Gewichtszunahme einstellt. Die Kompensation dieser Gewichtszunahme bildet daher im Vergleich zu konventionellen Antriebssystemen eine kritischere Anforderung an den automobilen Leichtbau. Ein großes Leichtbaupotential bieten kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Diese Werkstoffklasse zeichnet sich durch hohe spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten in Faserrichtung aus, die hochfeste Stähle übertreffen. Zudem charakterisiert CFK eine geringe Dichte, welche um ca. 80% gegenüber Stahl, bzw. um ca. 50% gegenüber Aluminium reduziert ist [3]. Der Großserieneinsatz von CFK in der Automobilindustrie stellt aufgrund der hohen Stückzahlen im Vergleich zur bisherigen Klein- und Mittelserie des Motorsports oder der Luftfahrtindustrie besondere Anforderungen an die Herstellungsprozesse. Die hieraus resultierende Forderung nach reproduzierbarer Bauteilqualität sowie die Sicherstellung der Herstellbarkeit verlangen nach geeigneten experimentellen und simulativen Methoden. Einen wichtigen Beitrag zur simulativen Prozessabsicherung kann hierfür die Finite-Elemente-Methode (FEM) leisten, welche im Bereich der Umformsimulation von metallischen Werkstoffen schon seit Langem Stand der Technik ist [4]. Zielsetzung der vorliegenden Studie ist es einen Überblick über die Herausforderungen der simulativen Abbildung von Umformprozessen bei der Herstellung von CFK-Schalenbauteilen zu geben. Hierfür wird der Teilprozess der Umformung detaillierter betrachtet und die damit verbundenen Anforderungen an die simulative Abbildung abgeleitet. Diese Anforderungen wurden durch die Implementierung eines benutzerdefinierten Materialmodells („User Material“) in LS-Dyna umgesetzt.