Institut für Kunststofftechnik

Produktentwicklung

Hier finden Sie eine Auswahl an aktuellen Forschungsprojekten, die sich mit der Produktentwicklung und zerstörungsfreien Prüfung beschäftigen.

Ein Produkt aus Kunststoff kann wirksamer gemacht werden, z.B. in dem es mehrere Funktionen zugleich erfüllt oder die bisher erfüllte Funktion bei anspruchsvolleren Randbedingungen. Hierzu müssen zunächst der Produktzustand bestimmt und ggf. an Messmitteln und -methoden geforscht werden. Mit Hilfe von Werkstoffgesetzen wird an der Vorhersagbarkeit des Produktverhaltens geforscht, besonders an der Lebensdauervorhersage unter verschiedenen Betriebszuständen. Mit Hilfe von Berechnungen wird das Bauteilverhalten simuliert und mit ausgewählten Versuchen validiert.

Aktuelle Forschungsprojekte

Festkörperverhalten

Ausgangssituation

  • Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) gewinnen aufgrund ihrer besonderen mechanischen Eigenschaften und zahlreichen weiteren Vorteilen zunehmend an Bedeutung
  • Verlässliche Vorhersage der prozessinduzierten Fasermikrostruktur stellt heute immer noch eine erhebliche Herausforderung dar
  • Resultierende anisotrope inhomogene mechanischen Eigenschaften kaum Berechenbar

Problemstellung

  • Beim Spritzgießen von LFTs werden die Fasern durch die wirkenden Kräfte orientiert, geschädigt und dispergiert (lokale Fasermikrostruktur).
  • Mechanische Bauteileigenschaften sind sehr deutlich von der lokalen Fasermikrostruktur, d. h. der Faserlänge, Faserorientierung und Faserkonzentration abhängig
  • LFTs lassen sich mithilfe bestehender Simulationsmethoden nicht zuverlässig auslegen da eine vollständige Berücksichtigung der Fasermikrostruktur nicht möglich ist

Lösungsweg

  • Optimierungsansatz zur automatisierten Kalibrierung der Vorhersagemodelle im Rahmen der Prozesssimulation
  • Neue Methode die eine vollumfängliche Berücksichtigung der verarbeitungsbedingten Fasermikrostruktur von LFTs (inklusive Schädigung) innerhalb der der Vorhersagemodelle für die anisotropen Werkstoffeigenschaften zur strukturmechanischen Auslegung erlaubt

Ausgangssituation

  • Verstärkungsstoffe finden immer häufiger in Strukturbauteilen Anwendung
  • Trend hin zu Kombinationen unterschiedlicher Verstärkungsstoffe
  • Denkbare Kombinationen:
    Faser-Kugel, Plättchen-Kugel, Faser-Plättchen

Problemstellung

  • Aktuell wenig Kenntnis über die Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen Füllstoffarten
  • Bestehende Simulationsmodelle lassen keine Vorhersage der Orientierung bei Multi-Füllstoff-Systemen zu

Lösungsweg

  • Experimentelle Ermittlung der Füllstoffinter-aktion
  • Entwicklung eines Simulationsmodells zur Vorhersage der Orientierung bei beliebigen Füllstoffkombinationen

 

Ausgangssituation

Formen aus PC werden im Schokoladen-Herstellungsprozess stark beansprucht (Schwingungen, Torsion, Ausklopfen der Schokolade, Reinigung etc.)

Problemstellung

  • Riss- und Bruchbildung infolge der zyklischen Belastungen
  • Spontanes Versagen der Formen führt zu hohen Produktionsausfällen

Lösungsweg

  • Entwicklung einer Form mit Datenloggern zur Analyse der individuellen Produktions-  umgebung
  • Entwicklung eines Simulationsmodells zur Vorhersage der Endlebensdauer auf Basis der Geometrie der Form und der ermittelten Beanspruchung

Ausgangssituation

  • Blendeigenschaften hängen von der Morphologie und der Phasenhaftung der Blendpartner ab
  • Blendeigenschaften sind geschwindigkeits-, temperatur- und medienabhängig

Problemstellung

  • Es existieren keine Kriterien für eine optimale Blendmorphologie zum Erreichen einer max. Zähigkeit bei geringen Prüfgeschwindigkeiten
  • Bestimmung der Form und Größe der plastischen Deformation um die Rissspitze ist nur unzureichend möglich
  • Aktuell fehlt es an gültigen Werkstoffmodellen zur Simulation des Bruchverhaltens

Lösungsweg

  • Optimierung von Blendeigenschaften mittels bruchmechanischer Methoden
  • Einsatz eines 3D-Bildkorrelationssystems zur lokalen Bestimmung des Risswachstums und der Werkstoffdeformation beim Bruch
  • Koppelung der molekulardynamischen Simu-lation mit der Kontinuumsmechanik zur Vor-hersage der Blendeigenschaften
 (c)
Bilduelle: Dissertation Wanders

Ausgangssituation

  • herkömmliche Werkstoffmodelle für Kunststoffe sind unzureichend für reale Beanspruchungen.

Problemstellung

  • Ermittlung von geeigneten Werkstoffmodellen für mehrachsige Beanspruchung
  • Modellkalibrierung mit uniaxial ermittelten Werkstoffdaten

Lösungsweg

  • Berücksichtigung des viskoelastischen Werkstoffverhaltens
  • Implementierung in eine kommerzielle FE-Simulationsumgebung
  • Validierung der Berechnungsgüte anhand von Zugversuchen und komplexen Bauteilen

Ausgangssituation

  • Spannungsbezogene Auslegung führt zur Überdimensionierung
  • kritische Dehnung: Dehnung bei der die erste Schädigung entsteht
  • kritische Dehnung ist unabhängig von Belastungsart und -dauer sowie Einsatztemperatur und Medium

Problemstellung

  • Detektion der kritischen Dehnung in amorphen und thermoplastischen sowie faserverstärkten Kunststoffen

Lösungsweg

  • Schallemissionsanalyse (SEA)
  • Korrelation der Messgrößen (elastische Wellen ↔ Schädigung)
  • Detektion von Mikrorissen während der Zugprüfung

Zerstörungsfreie Prüfung

Ausgangssituation

  • Bauteile aus Faserkunststoffverbunden haben oftmals komplexe Geometrien unterliegen aber gleichzeitig hohen Qualitätsanforderungen

Problemstellung

  • Klassischer Kontaktultraschall ist nicht kontaminationsfrei
  • Oftmals ist ein zweiseitiger Zugang zum Bauteil für eine Transmissionsmessung nicht möglich
  • Eine Automatisierung für die Serienproduktion ist noch nicht möglich

Lösungsweg

  • Entwicklung eines automatisierbaren Luftultraschall-Prüfverfahrens bei einseitiger Zugänglichkeit
  • Verbesserung der lateralen Auflösung durch den Einsatz von Fokussieraufsätzen
  • Implementierung in eine Roboterprüfzelle zur automatisierten Prüfung in der Serienfertigung

Ausgangssituation

  • Bedarf an CFK wächst jährlich durchschnittlich um 12 %
  • Zunehmender Einsatz von CFK im Bereich der Mobilität

Problemstellung

  • Fehlende zuverlässige und schnelle Prüfverfahren sowohl für Qualitätssicherung in Produktion als auch Betriebsprüfung
  • Subjektive Beurteilung durch Prüfpersonal
  • Zerstörungsfreie Prüfverfahren im Span-nungsfeld zwischen zusätzlichem Kostenfaktor und Zuverlässigkeit in der Qualitätsaussage

Lösungsweg

  • Eliminierung des „Human-Factor“
  • Schnellere und zuverlässigere Prüfung durch vollständige Automatisierung der Hochfrequenz-Wirbelstromprüfung

Ausgangssituation

  • Impactschäden in FKV sind oft unsichtbar, aber kritisch für die Struktur
  • Aktuelle ZfP-Verfahren sind kompliziert (Ultraschallverfahren) oder uneindeutig (optisch angeregte Thermografie)

Problemstellung

  • Ultraschall-angeregte Thermografie ist bisher ein reines Laborverfahren, sperrig und benötigt viel elektrische Leistung

Lösungsweg

  • Frequenzoptimierung der Ultraschallanregung durch Ausnutzen lokaler Defektresonanzen
  • Breitbandige Anregung mit geringer Leistung
  • Optimierung der Anregungsquellen

Ausgangssituation

  • Die Auffindung von Defekten an Leichtbaustrukturen, bedingt durch den Herstellungsprozess und bei Anwendung, gewinnt zunehmend an Bedeutung.
  • Zur Defekterkennung an Großbauteilen steht das Prüfverfahren Shearografie zur Verfügung.

Problemstellung

  • Häufig zu schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis, um Aussagen über einen möglichen Defekt treffen zu können
  • Defektanregung ist Energie- und Zeitaufwendig

Lösungsweg

  • Eine Verkürzung der Prüfzeiten (tp) und eine selektive Defektanregung kann mittels Ultraschallanregung unter Ausnutzung der lokalen Defektresonanz erreicht werden.
  • Verringerung der Anregungsenergie bis zu einem Faktor 80.
  • Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses etwa um einen Faktor 6.

Ausgangssituation

  • Optisch angeregte Thermografie ist ein etabliertes ZfP-Verfahren
  • Anregungsquellen sind Halogenstrahler, Blitzlampen, LEDs und Laser

Problemstellung

  • Für jeden Anwendungsfall muss die passende Anregungsquelle und Auswertemethode ausgewählt werden
  • Laser sind sehr teuer, LEDs sehr lichtschwach, Halogenstrahler besitzen eine sehr geringe Dynamik
  • Photothermische Schichtdickenmessung ist bisher nur punktförmig möglich

Lösungsweg

  • Einsatz eines VCSEL-Dioden Arrays als Anregungsquelle
  • Vereint Großflächigkeit mit Schnelligkeit
  • Thermografie wird vom Prüfverfahren zum Messverfahren

Ausgangssituation

  • Hybride Leichtbaustrukturen werden künftig in Automotive-Anwendungen genutzt
  • Multi-Material-Fügestellen sind kritisch für Bauteilperformance
  • Neuartiges Fügeverfahren wird von Projektpartnern entwickelt

Problemstellung

  • Zerstörungsfreie In-Line Prüfmethode für Fügeverbindungen ist notwendig
  • 3D-gekrümmte Geometrie des Bauteils ist besondere Herausforderung
  • Geometrieabweichungen des Bauteils sind zulässig

Lösungsweg

  • Geometrieabweichungserkennung über optische Methode
  • Fügestellen-Prüfung mit luftgekoppeltem Ultraschall
  • Konturtreue Bewegung der Prüfköpfe per Roboter unter
    Berücksichtigung der Geometrieabweichungen

Ausgangssituation

  • vermehrter Einsatz von Faserkunststoffverbunden (FKV) in der Automobilindustrie
  • Schadensbilder weitaus komplexer als bei herkömmlichen Materialien
  • bisher keine schnelle und sichere zerstörungsfreie Prüfmethode

Problemstellung

  • Scantische erlauben nur Luftultraschallmessungen an ebenen Bauteilen
  • keine exakten Daten über Oberflächengeometrie
  • Aussage über Sicherheit eines Fahrzeugs nach Unfall

Lösungsweg

  • Industrieroboter für Messungen mit luftgekoppeltem Ultraschall an komplex geformten FKV Bauteilen
  • optische Geometrieerkennung
  • selbstständige Bahnerstellung und Auswertung anhand von Oberflächendaten

Ausgangssituation

  • vermehrter Einsatz von Faserkunststoffverbunden (FKV) in der Automobilindustrie
  • Pultrusion von faserverstärkten thermoplastischen Tapes als schnelles und vielseitigen Verfahren
  • bisher keine zuverlässige und schnelle zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)

Problemstellung

  • kontaktfreie ZfP gefordert, da Tapedicke im Submillimeterbereich
  • schnelle und zuverlässige Detektion von trockenen Fasern, abgeknicktem Tape, Faservolumengehalt und Ablösungen innerhalb der Tapes

Lösungsweg

  • luftgekoppelter Ultraschall in Schrägdurchschallung zur online ZfP von endlosfaserverstärkten, thermoplastischen Tapes
  • Abfahren der Tapebreite mit einem Prüfkopf oder Verwendung von Prüfkopfarrays
  • automatisierte Datenauswertung mit finaler „rot – grün“ Anzeige

Ansprechpartner

Wolfgang Essig
Dr.-Ing.

Wolfgang Essig

Abteilungsleiter Produktentwicklung

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