Nachhaltige faserverstärkte Kunststoffe im Spritzguss: Faserorientierung und Faserschädigung in Experiment und Simulation
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The usage of renewable resources and of recycled products in fibre-reinforced composites as lightweight materials combines many aspects of sustainability. Based on this thesis new pathways for natural fibre-reinforced polymers and for recycled carbon fibre-reinforced polymers such as injection moulded, mass-produced components in the automotive industry shall be developed. Numerical simulations are necessary so that designers and engineers can use these new composite materials in the product development process. Currently available commercial software programs include models for glass fibre-reinforced polymers. Natural fibres and recycled carbon fibres vary majorly in their morphological and mechanical properties, which complicates the transfer of the actual models. At the beginning of this study, models to simulate injection moulded NFC polymers were missing in simulation software. A huge research project was started to close this gap. The present work is therefore an important step regarding the simulatability of composites reinforced by natural fibres and recycled carbon fibres so that designers and engineers in the future can consider sustainable composites when selecting materials.
Abstract
Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen und von Recycling-Werkstoffen in Faserverbundwerkstoffen als Leichtbauwerkstoff vereint viele Aspekte der Nachhaltigkeit. Auf der Basis dieser Arbeit soll naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) und Kunststoffen, verstärkt mit rezyklierten Kohlenstofffasern (rCFK), ein Zugang für den Einsatz als spritzgegossenes Serienbauteil im Automobilbereich eröffnet werden. Damit Designer und Ingenieure einen derartigen Werkstoff im Produktentwicklungsprozess im Automobilbereich einsetzen können, muss dieser mit numerischen Simulationen abgebildet werden können. Aktuell sind in den kommerziellen Software-Programmen für Spritzguss-Simulationen vor allem Modelle für Glasfasern integriert. Naturfasern und rezyklierte Kohlenstofffasern besitzen jedoch eine viel größere Variation ihrer morphologischen und mechanischen Eigenschaften, was die direkte Übertragung bestehender Modelle erschwert. Zu Beginn dieser Arbeit gab es noch keine Modelle zur Simulation von spritzgegossenen NFK. Daher galt es, diese Lücke zu schließen. Die vorliegende Arbeit ist damit ein wichtiger Schritt in Richtung des frühzeitigen Einsatzes von Simulationstools im Produktentwicklungsprozess von NFK und rCFK, damit Designer und Ingenieure in der Zukunft bei der Werkstoffauswahl im größeren Umfang nachhaltige Verbundwerkstoffe berücksichtigen können.