Strukturentwurf von hybriden Hochleistungsbauteilen mit Faserverbundkunststoffen: Charakterisierung, werkstoffgerechte Materialmodelle und Simulation

Thema der Arbeit:
Der Spritzgießprozess ermöglicht die serienmäßige Fertigung von Hochleistungsbauteile mit lokalen Verstärkungen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK), ein bislang unerreicht hohes Leichtbaupotential erschlossen werden kann. Am Institut für Kunststofferarbeitung wird diese Technologie zur breiten Anwendung im Automobilbereich und im Logistikbereich praxisnah erforscht.

Um diese Vorteile des Verbunds von Spritzgießkomponenten mit lokalen Verstärkungen gezielt auszunutzen, ist beim Strukturentwurf umfangreiches Vorwissen erforderlich, der sowohl auf experimentellen Untersuchungen als auch auf simulationsbasierten Optimierungsansätzen basiert. Die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften der Spritzgießmasse, der Verstärkenden Tapes und der Grenzfläche von deren Verbund stellt dabei die Grundlage für die Entwicklung und Kalibrierung von werkstoffgerechten Materialmodellen zur Bauteilauslegung dar. In dieser Arbeit entwickels du neuartige Probekörper und Prüfmethoden zur genauen charakterisierung der Anbindungsfestigkeit zwischen Tape-Verstärkungen und Spritzgießbauteilen mit denen ungewissheiten bei der Auslegung solcher Bauteile in zukunft auf ein minimum reduziert werden sollen. Hierdurch wird ein entscheidender Beitrag zur etablierung der Tape-Technologie in Spritzgießprozessen geleistet.

Die Arbeit wird in dieser Arbeitsgruppe verfasst:
In der Arbeitsgruppe Faserverstärkte Kunststoffe/Dimensionierung/CAE-Methoden wurde ein Algorithmus zur Optimierung von Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen in Spritzgießbauteilen entwickelt. Schwerpunkte sind die werkstoffgerechte Modellierung des Verhaltens von Verbundwerkstoffen, die experimentelle Charakterisierung und die Kopplung von Prozess- und Struktursimulationen.

Zielsetzung:
Ziel dieser Arbeit ist es, ein systematisches Vorgehen zur werkstoffgerechten Auslegung von Hochleistungsbauteilen mit Carbon- oder Glasfaserverstärkungen in Spritzgießprozessen zu entwickeln. Dies umfasst:

• Die experimentelle Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von verstärkten und unverstärkten Bereichen.
• Die Entwicklung und Kalibrierung von Materialmodellen, die die anisotropen Eigenschaften und das Versagensverhalten der Faserverstärkungen berücksichtigen.
• Die simulationsgestützte Optimierung des Bauteildesigns unter Berücksichtigung der spezifischen Herausforderungen des Spritzgießprozesses, wie Faserorientierung und Anbindungsfestigkeit.

Für eine Bachelorarbeit bearbeitest du folgende Aufgabenstellung:

• Herstellung und mechanische Prüfung von Probekörpern mit lokalen Carbon- oder Glasfaserverstärkungen
• Analyse der Anbindungsfestigkeit zwischen Formmasse und den lokalen Verstärkungen sowie die Analyse der auftretenden Versagensmodi
• Erste simulative Untersuchungen des Fertigungsprozesses und der resultierende Bauteilstruktur

Für eine Masterarbeit bearbeitest du zusätzlich folgende Aufgabenstellung:

• Entwicklung und Kalibrierung von Materialmodellen basierend auf den experimentellen Daten
• Kopplung von Spritzgießsimulationen mit Strukturmodellen zur Abbildung der Faserorientierung
• Simulationsgetriebene Optimierung der Bauteilgeometrie unter Berücksichtigung der Verstärkungsstrukturen

Dein Profil:

• Du hast Lust dein Wissen über verschiedenste Werkstoffe, Werkstoffprüfung, Materialmodellierung, Strukturauslegung Prozessmodellierung zu erweitern.
• Interesse an Struktursimulation; Vorkenntnisse sind von Vorteil, aber nicht erforderlich.
• Interesse oder Vorkenntnisse im Umgang mit Faserverstärkten Kunstoffen ist Vorteil, aber auch nicht erforderlich.

Falls du Interesse an einer Abschlussarbeit am IKV und an dieser oder einer ähnlichen Aufgabenstellung hast, melde dich bei mir. Den genauen inhaltlichen Umfang und den Zeitplan stimmen wir individuell miteinander ab.

Dein Ansprechpartner:
Martin Giersberg Sola, M.Sc.
Telefon: +49 241 80-23608
E-Mail: martin.giersberg@ikv.rwth-aachen.de