CAE-Methoden für die verbesserte Auslegung thermoplastischer Spritzgussbauteile

Im Hinblick auf den Einsatz von Kunststoffen in anspruchsvollen technischen Anwendungen kommt der Qualität der Formteilauslegung eine entscheidende Bedeutung zu. Die bislang in kommerziellen Simulationsprogrammen verfügbaren Ansätze reichen jedoch für eine präzise Vorhersage der komplexen Eigenschaften von Kunststoffbauteilen häufig nicht aus. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es daher, einen Beitrag zur Verbesserung der entsprechenden CAE-Methoden zu leisten. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich zunächst mit Wegen für die verbesserte Auslegung von Spritzgussbauteilen aus unverstärkten Thermoplasten. Es werden ein isotropes nicht-linear viskoelastisches Materialmodell sowie eine modifizierte Version des 3D-Deformationsmodells nach Wanders vorgestellt. Im ersteren Fall erfolgt zudem eine Gegenüberstellung verschiedener Möglichkeiten zur Berücksichtigung der Nicht-Linearität und zur Charakterisierung der Beanspruchungshöhe. Schwerpunkte der weiteren Ausführungen stellen die Vorgehensweise zur Einbindung der Modelle in die FEM sowie geeignete Strategien zur Kalibrierung der verschiedenen Beschreibungsvarianten dar. Beschlossen wird dieser Abschnitt durch eine umfassende Validierung der Materialmodelle. Im zweiten Teil der Arbeit wird mit der integrativen Simulation eine Vorgehensweise präsentiert, mit der sich Spritzgussbauteile aus kurzfaserverstärkten Thermoplasten unter Berücksichtigung der verarbeitungsinduzierten Anisotropien kunststoffgerecht mechanisch auslegen lassen. Für die meisten Anwendungsfälle erlaubt bereits die Verwendung eines linear elastischen Ansatzes sehr präzise Berechnungen. Anhand eines Pumpendeckels wird allerdings nicht nur die Steifigkeitsanalyse umfassend validiert, sondern es wird auch die Leistungsfähigkeit einer anisotropen Festigkeitsanalyse demonstriert. Noch genauer lässt sich das mechanische Verhalten von kurzfaserverstärkten Thermoplasten schließlich mit den entwickelten nicht-linearen Materialmodellen beschreiben. Dies betrifft sowohl den nicht-linearen Spannungs/Dehnungs-Zusammenhang als Funktion der Beanspruchungshöhe als auch die Abbildung der zeitabhängigen Steifigkeit bei langzeitigen und wechselnden Beanspruchungen. Das auf diese Weise weiter erhöhte Auslegungsniveau wird anhand von diversen Bauteilversuchen eingehend belegt.