TY - THES

T1 - Anwendung des lokalen Spannungskonzeptes zur Lebensdauerberechnung von kurzglasfaserverstärkten Spritzgusskomponenten

AU - Pichler, Philip

N1 - gesperrt bis 11-11-2015

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Kurzglasfaserverstärkte Kunststoffe finden heutzutage ein breites Anwendungsgebiet. Vor allem als Metallersatz von Strukturbauteilen bieten sie aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit Vorteile in Bezug auf Leichtbau gegenüber druckgegossenen Metallkomponenten. Die Verarbeitung durch Spritzgießen bietet zudem die Möglichkeit Komponenten in Großserien sehr kosteneffizient zu produzieren. Aufgrund der Strömungsverhältnisse während des Verarbeitungsprozesses kommt es zu unterschiedlichen Orientierungen der Fasern, was dazu führt, dass die Eigenschaften richtungsabhängig sind. Ziel dieser Arbeit ist es eine Lebensdauerberechnung an einem realen Validierungsbauteil durchzuführen und dem Versuch gegenüberzustellen. Die dazu benötigten Werkstoffdaten, welche zum Teil in einem Werkstoffdatensatz in der Betriebsfestigkeitsoftware FEMFAT Verwendung finden, werden mit quasistatischen und zyklischen Versuchen ermittelt. Als Werkstoff dient ein thermoplastisches Polyetherimid mit einer Verstärkung von 30 Gew.-% an gemahlenen Glasfasern. Anhand von Norm- und aus Platten geschnittenen Kurzprüfkörper wurden Einflüsse wie Bindenaht, Faserorientierung und erhöhte Temperatur auf die Festigkeitswerte untersucht. Die Bindenaht reduziert die Schwingfestigkeit um ca. 48 %. Quer zur Spritzrichtung entnommene Kurzprüfkörper weisen im Vergleich zum längs Ausgeschnittenen eine um ca. 20 % geringere Schwingfestigkeit auf. Zusätzlich reduziert das Einwirken erhöhter Temperatur (T = 120 °C) die dynamische Festigkeit, abhängig vom der Hauptfaserorientierung, um bis zu 37 %. Schadensanalytische Methoden zeigen, dass die Fasern von der Matrix ausgezogen werden, was auf eine geringe Faser/Matrixhaftung schließen lässt. Zusätzlich wurde die Aufnahme von Feuchtigkeit untersucht. Die Lagerung von Normprüfkörpern in Raumklima und Wasser bei 50 °C zeigt eine Wasseraufnahme von bis zu 0,7%. Zur Prüfung der Komponente, bei welcher es sich um einen Linsenhalter eines Automobilscheinwerfers handelt, wurde eine Prüfvorrichtung konstruiert und gefertigt. Die an einer servohydraulischen Prüfmaschine ermittelten Lastzyklen bei schwellenden Lastfällen (Zug und Druck) dienen zur Validierung der Lebensdauerrechnung mittels FEMFAT. Die Kalkulation wurde mit zwei unterschiedlichen Werkstoffdatensätzen durchgeführt (isotrop und anisotrop unter Berücksichtigung der lokalen Faserorientierung). Die Gegenüberstellung von Simulation und Versuch zeigt, dass die Berechnung gute jedoch stets konservative Ergebnisse liefert. Je nach verwendeten Materialdatensatz und Lastfall ergeben sich, bezogen auf die Spannung, Sicherheiten von 1,2 bis 2. Dies bedeutet, dass der reale Bauteil unter zyklischer Belastung eine höhere Lebensdauer aufweist als in der Simulation berechnet. Die Kalkulation mit dem anisotrop ausgewerteten Materialdatensatz zeigt die geringsten Abweichungen zum Validierungsversuch.

AB - Kurzglasfaserverstärkte Kunststoffe finden heutzutage ein breites Anwendungsgebiet. Vor allem als Metallersatz von Strukturbauteilen bieten sie aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit Vorteile in Bezug auf Leichtbau gegenüber druckgegossenen Metallkomponenten. Die Verarbeitung durch Spritzgießen bietet zudem die Möglichkeit Komponenten in Großserien sehr kosteneffizient zu produzieren. Aufgrund der Strömungsverhältnisse während des Verarbeitungsprozesses kommt es zu unterschiedlichen Orientierungen der Fasern, was dazu führt, dass die Eigenschaften richtungsabhängig sind. Ziel dieser Arbeit ist es eine Lebensdauerberechnung an einem realen Validierungsbauteil durchzuführen und dem Versuch gegenüberzustellen. Die dazu benötigten Werkstoffdaten, welche zum Teil in einem Werkstoffdatensatz in der Betriebsfestigkeitsoftware FEMFAT Verwendung finden, werden mit quasistatischen und zyklischen Versuchen ermittelt. Als Werkstoff dient ein thermoplastisches Polyetherimid mit einer Verstärkung von 30 Gew.-% an gemahlenen Glasfasern. Anhand von Norm- und aus Platten geschnittenen Kurzprüfkörper wurden Einflüsse wie Bindenaht, Faserorientierung und erhöhte Temperatur auf die Festigkeitswerte untersucht. Die Bindenaht reduziert die Schwingfestigkeit um ca. 48 %. Quer zur Spritzrichtung entnommene Kurzprüfkörper weisen im Vergleich zum längs Ausgeschnittenen eine um ca. 20 % geringere Schwingfestigkeit auf. Zusätzlich reduziert das Einwirken erhöhter Temperatur (T = 120 °C) die dynamische Festigkeit, abhängig vom der Hauptfaserorientierung, um bis zu 37 %. Schadensanalytische Methoden zeigen, dass die Fasern von der Matrix ausgezogen werden, was auf eine geringe Faser/Matrixhaftung schließen lässt. Zusätzlich wurde die Aufnahme von Feuchtigkeit untersucht. Die Lagerung von Normprüfkörpern in Raumklima und Wasser bei 50 °C zeigt eine Wasseraufnahme von bis zu 0,7%. Zur Prüfung der Komponente, bei welcher es sich um einen Linsenhalter eines Automobilscheinwerfers handelt, wurde eine Prüfvorrichtung konstruiert und gefertigt. Die an einer servohydraulischen Prüfmaschine ermittelten Lastzyklen bei schwellenden Lastfällen (Zug und Druck) dienen zur Validierung der Lebensdauerrechnung mittels FEMFAT. Die Kalkulation wurde mit zwei unterschiedlichen Werkstoffdatensätzen durchgeführt (isotrop und anisotrop unter Berücksichtigung der lokalen Faserorientierung). Die Gegenüberstellung von Simulation und Versuch zeigt, dass die Berechnung gute jedoch stets konservative Ergebnisse liefert. Je nach verwendeten Materialdatensatz und Lastfall ergeben sich, bezogen auf die Spannung, Sicherheiten von 1,2 bis 2. Dies bedeutet, dass der reale Bauteil unter zyklischer Belastung eine höhere Lebensdauer aufweist als in der Simulation berechnet. Die Kalkulation mit dem anisotrop ausgewerteten Materialdatensatz zeigt die geringsten Abweichungen zum Validierungsversuch.

KW - lifetime analysis

KW - fatigue life calculation

KW - validation

KW - weldline

KW - temperature

KW - fibre orientation

KW - moisture

KW - component test

KW - short glass fibre reinforced

KW - FEMFAT

KW - polyetherimide

KW - PEI

KW - GX30

KW - fatigue

KW - Lebensdauerberechnung

KW - lokales Spannungskonzept

KW - Validierung

KW - Bindenaht

KW - Temperatur

KW - Faserorientierung

KW - Feuchtigkeit

KW - Bauteilversuch

KW - kurzglasfaserverstärkt

KW - FEMFAT

KW - Polyetherimid

KW - PEI

KW - GX30

KW - Ermüdung

M3 - Diplomarbeit

ER -