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Berücksichtigung der umformbedingten Faser-Reorientierung bei der Verzugssimulation von CFK-Bauteilen

Einleitend wird mit dem Nasspressprozess ein Verfahren zur Herstellung von CFK-Bauteilen vorgestellt, welches insbesondere beim innovativen Leichtbaukonzept der aktuellen 7er-Reihe („Carbon Core“) zum Einsatz kommt. Des Weiteren wird auf den aktuellen Stand der Simulation des Nasspressprozesses bei der BMW Group eingegangen. Neben der Abbildung von möglichen umformbedingten Merkmalen wie Falten und Welligkeiten per Drapiersimulation werden eventuell auftretende Geometrieabweichungen durch die Verzugssimulation vorhergesagt. Zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit der Verzugssimulation soll die durch Umformung verursachte Faserumorientierung berücksichtigt werden. Da bei der Drapiersimulation Schalenelemente und bei der Verzugssimulation Volumenelemente zum Einsatz kommen, ist ein Mappingprozess erforderlich, der mit dem Programm Envyo durchgeführt wird. Dabei wird die Information der Faserorientierung jedes finiten Elementes der Umformsimulation auf das Rechennetz der Verzugssimulation übertragen. Dies erfolgt über eine sogenannte „Closest Point“ Suche, die jedem Element im Zielnetz eine Faserorientierung/Materialhauptrichtung zuweist. Denkbar ist auch die Berücksichtigung von Reinharzgebieten, zum Beispiel durch Einschränkung des Suchradius. Durch den Einsatz von Envyo wird das Preprocessing für die anschließend durchzuführende Verzugssimulation erheblich vereinfacht, da der Prozessschritt des Definierens der Faserorientierung mit Hilfe verschiedener Projektionsmethoden entfällt. Das Potential oben genannter Methode wird anhand eines Versuchsbauteils demonstriert. Hierzu wird dessen Formabweichung mit Hilfe optischer Messtechnik erfasst und dem Ergebnis der Verzugssimulation gegenübergestellt. Dabei wird deutlich, dass die Berücksichtigung der umformbedingten Faserumorientierung eine Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit der Verzugssimulation zur Folge hat. Zum Abschluss werden Möglichkeiten zur Erweiterung des Mappingprozesses aufgezeigt, wie z.B. die Berücksichtigung von Faserspannungen und Faservolumengehalten. Neben den Anwendungen im Bereich endlosfaserverstärkter Kunststoffe kann der Mapper auch zur Abschätzung von Schädigungsgrößen im Bereich der Blechumformsimulation und für kurzfaserverstärkte Kunststoffe verwendet werden.