Experimentelle und numerische Untersuchung des mechanischen Werkstoffverhaltens von 3D-gedruckten Materialien für Crash-Anwendungen (Masterarbeit)

Abstract

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen die einfache Herstellung von komplexen Geometrien und sind deshalb im Prototypenbau weit verbreitet. Immer häufiger werden sie aber auch in der Serienproduktion eingesetzt. Durch den Einsatz innovativer Materialextrusionsverfahren auf Granulatbasis können die Druckkosten und -zeiten sowie die Umweltauswirkungen verbessert werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den durch dieses Verfahren hervorgerufenen Materialeigenschaften am Beispiel des kurzfaserverstärkten Kunststoffes PA6 CF30. Das Ziel ist eine experimentelle Charakterisierung der Materialeigenschaften sowie die Entwicklung einer Simulationsmethodik zur Abbildung der material- und verfahrensspezifischen Eigenschaften. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf den Eigenschaften in Aufbaurichtung. Abschließend wird die Eignung des Materials für Crashanwendungen beurteilt. Die Zug- und Druckeigenschaften werden im quasistatischen Fall und bei mittleren Dehnraten in Druck- und Aufbaurichtung untersucht und das Versagen mittels DIC analysiert. Für die Bestimmung der Druckeigenschaften wird ein Versuchsaufbau mit seitlicher Stützung des Probekörpers durch eine Wabe verwendet. Dabei zeigen sich Stabilitätsprobleme. Im Zugversuch in Aufbaurichtung treten Dehnungsüberhöhungen im Zwischenbahnbereich auf. Insgesamt sind eine deutliche Dehnratensensitivität und Anisotropie der Materialkennwerte ersichtlich. Das Verhalten der Grenzschicht zwischen den Bahnen wird mithilfe weiterer Versuche detaillierter betrachtet. Dabei wird keine deutlich schwächere Anhaftung zwischen den Bahnen erkannt. Zwei Modellierungen werden im Detail betrachtet: eine Modellierung als homogener Körper sowie eine Unterteilung in Bahnen unter Berücksichtigung des Zwischenbahnbereichs mit Tiebreak-Kontakten. Letzteres erhöht die Modellierungs- und Simulationszeit und sollte nur bei einer eindeutig schwächeren Anhaftung zwischen den Bahnen eingesetzt werden. Mit dem verwendeten Materialmodell *MAT_58 können die Anisotropie und die Zug-Druck-Asymmetrie des untersuchten Materials erfolgreich abgebildet werden. In Druckversuchen an Wabenstrukturen zeigen sich gute Energieabsorptionseigenschaften. Jedoch kommt es zu einem Stabilitätsversagen. Die Simulation von Druckbelastungen in Aufbaurichtung zeigt Einschränkungen im gewählten Simulationsansatz. Für die meisten Belastungen stimmt der verwendete Ansatz jedoch überzeugend mit den Experimenten überein, weshalb er zukünftig angewendet werden kann.