Grundlagenuntersuchungen zur Prüfung und Simulation des Umformverhaltens von Naturfaserverbundhalbzeugen und Gelegestrukturen im Formpressverfahren
Projektleiter: Dr.-Ing. Thomas Reußmann
Projektnummer: BMWi / INNO-KOM-Ost, VF 140053
Laufzeit: 01.06.2015 – 30.11.2017
Aufgabenstellung
Naturfaserverstärkte Kunststoffe werden schon seit mehr als 20 Jahren in der Automobilindustrie zur Herstellung von Innenverkleidungsteilen eingesetzt. Als Halbzeuge für die Bauteilherstellung kommen dabei überwiegend Fasermatten aus Naturfasern und Thermoplastfasern zum Einsatz. Die Verarbeitung erfolgt im Formpressverfahren, wobei die Fasermatten in Abhängigkeit von der Bauteilkontur mehr oder weniger stark umgeformt werden. Aktuell basiert die Formteilentwicklung zum Großteil auf Erfahrungswerten und einer empirischen Vorgehensweise bei der Konturauslegung. Das führt häufig zu Fehlern an den Bauteilen (Dünnstellen, niedrige mechanische Eigenschaften, Oberflächendefekte) und nachträglichen Werkzeugänderungen, was hohe Kosten verursacht.
Ziel des Forschungsvorhabens war die praxisnahe Prüfung und Charakterisierung des Umformverhaltens von Naturfasermaterialien, um wesentliche Zusammenhänge zwischen den Halbzeugeigenschaften, dem Umformverhalten und den späteren Eigenschaften des Bauteils herstellen zu können.
Ergebnisse
Die Prüfung von Naturfasermatten erfolgt bisher in der Praxis nach textilen Normen bei Raumtemperatur (Streifenzugversuch). Die Kennwerte werden häufig zur Charakterisierung der Matteneigenschaften herangezogen, liefern aber keine Informationen zu den Eigenschaften des Faserverbundes (mechanische Eigenschaften nach der Verpressung) und zum Umformverhalten im Werkzeug. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden verschiedene Testmethoden untersucht (Bilder 1 und 2) und bewertet, die zu einer praxisnahen Prüfung der Naturfaserverbundhalbzeuge im aufgeheizten Zustand (oberhalb des Schmelzbereichs der Matrix) führen.
Außerdem sind Verstreckversuche an Fasermatten mit nachfolgender Prüfung der mechanischen Eigenschaften durchgeführt worden. Dadurch konnten Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Naturfasermatten und dem zu erwartenden Umformverhalten hergestellt werden.
Anwendung
Die Anwendung der Forschungsergebnisse kann bei Herstellern von Naturfaserhalbzeugen, in der Automobilzulieferindustrie, aber auch im Bereich Werkzeugbau erfolgen. Durch die entwickelten Prüfmethoden ist es möglich, die Naturfasermatten bereits beim Hersteller praxisnah hinsichtlich des Umformverhaltens zu testen. Andererseits ist es auch vorstellbar, bereits bei der Bauteilauslegung kritische Formteilbereiche zu identifizieren und werkstoffgerecht auszulegen. Weitere Entwicklungen unter Nutzung der Forschungsergebnisse sollen zur Vorhersage des Umformverhaltens über ein geeignetes Simulationsverfahren führen.