Mehrskalige probabilistische Simulationskette zur durchgängigen Abbildung des Herstellprozesses und des Bauteilverhaltens von ungeordnet faserverstärkten Spritzgussbauteilen (MeProSi)

Das Projekt MeProSi zielt darauf ab, eine Prognose fertigungsbedingter aleatorischer Streuungen im Verhalten von Spritzgussbauteilen zu ermöglichen. Dies soll durch eine probabilistische Multiskalensimulation entlang der Prozesskette, von der streuungsbehafteten Verarbeitung über die unscharfe Mikrostruktur bis zum unscharfen Bauteilverhalten, erreicht werden. Auf Basis von Prozesssimulationen auf Mikro- und Makroebene erfolgt die Bestimmung der ortsabhängigen, unscharfen Mikrostruktur. Diese wird mittels probabilistischer Homogenisierung über statistische Volumenelemente als Substrukturen großformatiger repräsentativer Volumenelemente analysiert und statistisch beschrieben. Auf dieser Basis erfolgt eine Zufallsfeldbeschreibung des Materialverhaltens auf Bauteilebene. Damit kann der Einfluss der Unschärfen im Prozess und die Fortpflanzung der mikrostrukturellen Streuungen bis zum Strukturverhalten analysiert und bewertet werden. Die inhärenten Unschärfen im Material- und Bauteilverhalten werden so in der Anwendung beherrschbar gemacht. Dabei liegt der Fokus zunächst auf aleatorischen Unschärfen.

Zur Zielerreichung wird ein kombiniert experimentell-numerischer Ansatz verfolgt. Das Projekt wird in enger Abstimmung an beiden Instituten bearbeitet, wobei am KIT-FAST die prozessseitigen Simulationen und die begleitenden experimentellen Prozessanalysen erfolgen, während das IWM die Modellierung, begleitende experimentelle Charakterisierung und Validierung auf der Strukturseite übernimmt.

Abbildung 1: Projektvorhaben MeProSi

Die Forschungsinhalte des KIT-FAST bestehen aus der Bestimmung relevanter Modell- und Materialparameter im Prozessverhalten anhand von Mikromodellen einzelner Fasern und umgebender Matrix. Mit Mikrosimulationen auf Basis der SPH-Methode werden Faserinteraktionsverhalten, Faserbruchverhalten, Sensitivität von Prozess- bzw. Materialstreuungen und Inhomogenität numerisch analysiert. Dies dient der Realisierung probabilistischer Spritzgusssimulationen auf makroskopischer Simulationsebene.

Die probabilistische Simulation entsteht durch Weiterentwicklung bestehender Methoden und Randbedingungen. Die Umsetzung dient der verbesserten Prozesssimulation unter Berücksichtigung von Unschärfen sowie als Input für die Struktursimulation. Die bestehende Simulationsmethode wird in Hinblick auf Faserbruch erweitert und probabilistische Störgrößen wie Temperaturschwankungen, Faserorientungs- und -längenverteilung etc. werden implementiert.