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Eigenschaftsqualifizierung von n. R. durch Simulation
Dipl.-Ing. B. Eversmann, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Braunschweig Vor dem Hintergrund der EU-Altautorichtlinie 2000/53/EG ist das schon länger untersuchte Thema "Verkleidungsteile aus nachwachsenden Rohstoffen im Automobilbau" wieder in die Diskussion geraten. Derzeitiger Stand der Technik ist der Einsatz vernadelter Naturfaservliese unterschiedlicher Zusammensetzung für flächige Verkleidungselemente im Interieur. Bei der Herstellung von Bauteilen mit hohen Umformgraden, beispielsweise Instrumententafel-Grundträger, werden während der Formgebung erhöhte Anforderungen an die Umformbarkeit der Naturfaservliese gestellt. Um diese komplexen Bauteile realisieren zu können, ist es deshalb erforderlich, die maßgeblichen Einflussgrößen der Halbzeugherstellung unter Berücksichtigung der jeweiligen Fasereigenschaften auf das Umformverhalten zu ermitteln. Dem Halbzeughersteller wird damit die Möglichkeit gegeben, für solche Anwendungen maßgeschneiderte Materialien produzieren zu können. Hierbei soll auch eine Grundlage zur Standardisierung und damit verbunden zur Qualitätssicherung geschaffen werden, wie sie besonders auch für sicherheitsrelevante Bauteile erforderlich ist. Die Vorgehensweise der Eigenschaftsqualifizierung unterteilt sich in zwei Schritte. Aus experimentellen Tiefziehvorgängen werden die für die Einbindung in ein Simulationstool benötigten spezifischen Stoffkennwerte von vernadelten Naturfaservliesen ermittelt. Anschließend werden entsprechende Materialgesetze des Simulationstools mit den experimentellen Stoffkennwerten so modifiziert, dass eine Reproduzierung des Experiments durch die Simulation erreicht wird. Zur Ermittlung der benötigten spezifischen Stoffkennwerte für vernadelte Naturfaservliese wurde eine spezielle Vorrichtung entwickelt, mit der ein fixiertes Naturfaservlies durch einen runden Stempel belastet wird. Dieser Tiefziehvorgang wird mit dem Verformungsmeßsystem ARAMIS beobachtet und anschließend ausgewertet. ARAMIS ist besonders geeignet für die Messung von dreidimensionalen Verformungen und Dehnungen bei statischer oder dynamischer Belastung an realen Bauteilen. Mittels zwei bis vier CCD-Kameras wird eine auf die Bauteiloberfläche aufgetragene Graustufenstrukturierung während der Deformation in den einzelnen Lastzuständen fotografiert. Durch digitale Bildauswertung werden die in den Bildern des Ausgangszustandes definierten Facetten subpixelgenau wiedergefunden und daraus die dreidimensionalen Koordinaten der Facetten bestimmt. So erhält man die dreidimensionalen Verschiebungen und Dehnungen des untersuchten Naturfaservlieses für jeden Lastzustand. Die so erhaltenen Ergebnisse können grafisch dargestellt werden. Als Simulationstool wird das auf der FEM-Software ANSYS basierende Tool LS DYNA verwendet. LS DYNA ist ein für die Crash-Simulation entwickeltes Simulationstool, das in der Automobilindustrie weit verbreitet ist. Aufgrund der während des Pressvorgangs auftretenden hohen dynamischen Belastungen ist dieses Tool für den vorliegenden Fall gut geeignet. LS DYNA verfügt über eine große Anzahl verschiedenster Materialgesetze. Die Ergebnisse aus den Tiefziehversuchen werden in ein entsprechendes Materialgesetz eingebunden und anschließend über eine Optimierungsschleife durch die Simulationsberechnungen auf das entsprechende Naturfaservlies modifiziert. Mit dem neu ermittelten Materialgesetz ist eine Simulation des Pressvorgangs für eine reale Bauteilkontur möglich. Aus den Simulationsergebnissen können die bauteilspezifischen Anforderungen an das einzusetzende Naturfaservlies abgeleitet werden. Dipl.-Ing. Bertram Eversmann Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e. V. Institut für Strukturmechanik Lilienthalplatz 7 38108 Braunschweig phone: +49-0531-295-2661 fax: +49-0531-295-2838 e-mail: bertram.eversmann@dlr.de internet: www.sm.bs.dlr.de |
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