MikroPro - Mikrostrukturbasierte Charakterisierung und Modellierung der hygromechanischen Brucheigenschaften von faserverstärkten Polymerwerkstoffen für die digitale Produktentwicklung

Ressourcenschonender Leichtbau aus recyclefähigen Materialien und die Vermeidung des Baus von Prototypen sind wichtige Hilfsmittel für eine nachhaltige CO2-Reduktion. Voraussetzung hierfür ist die digitale Produktentwicklung, in der Bauteile am Computer ausgelegt werden und nur noch wenige aufwändige, energieintensive Prüfungen am Ende der Entwicklungskette stehen. Polyamid (PA) ist ein im Leichtbau weitverbreiteter recycelbarer Kunststoff mit hohem mechanischem Widerstandsvermögen. Im Marktumfeld stellt PA die größte Familie technischer Kunststoffe dar und hat seinen Haupteinsatzbereich in der Automobil- und Elektroindustrie. Im Vergleich zu anderen Thermoplasten reagiert PA sehr stark auf den Feuchtegehalt der Umgebung und kann relativ viel Wasser aufnehmen. Dies muss bei einer Bauteilauslegung zwingend berücksichtigt werden, da die aufgenommene Feuchte sowohl das mechanische Verhalten als auch den Widerstand gegen eine mögliche Rissbildung stark beeinflusst.

Gegenwärtig ist eine Berücksichtigung des Feuchteeinflusses im industriellen Umfeld nicht möglich, was zu längeren Entwicklungszeiten und konservativen Dimensionierungen führt. Die Ergebnisse dieses Vorhabens sollen diese Lücke schließen und zu effizienteren und leichteren Bauteilen führen. Ziel des Projektes ist die Erstellung eines digitalen Zwillings über eine vollständige Charakterisierung und prädiktive Simulation des hygromechanischen Deformations- und Bruchverhaltens von PA. Eine besondere Innovation des Vorhabens liegt in der Berechnung der Interaktion von Feuchtegehalt, -transport und Mikrorissbildung bei der virtuellen Bauteilauslegung. Mit einer zukunftsweisenden Kombination aus neuartigen experimentellen Methoden (in-situ Analyse des Rissfortschritts durch μCT, opt. Mikroskopie, MicroDIC an bruchmechan. Probekörpern) und numerischer Mikromechanik werden realitätsnahe Berechnungen ermöglicht, mit denen energieintensive Prototypen eingespart und Entwicklungszeiten signifikant verkürzt werden können.