Erforschung einer metamodell-basierten Methodik zur Optimierung der Bauteileigenschaften von diskontinuierlich langfaserverstärkten Kunststoffen durch systematische Gestaltung von Verarbeitungsprozessen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460280822

Diskontinuierlich langfaserverstärkte Kunststoffe (DLK) stellen derzeit eine der bedeutendsten Materialklassen im Bereich der Faserverbundwerkstoffe dar. Für die Verarbeitung dieser Werkstoffe werden in der Regel urformende Prozesse eingesetzt, durch die endkonturnahe Bauteile erzeugt werden. Hierbei erfolgt ein Fließen der DLK, das zur Ausprägung von Faserorientierungen und damit auch der mechanischen Eigenschaften führt. Die aus einer spezifischen Prozesskonfiguration resultierenden mechanischen Eigenschaften können durch Simulation vorhergesagt werden. Da diese rechenintensiv und zeitaufwändig sind, können jedoch nicht alle möglichen Konfigurationen simuliert werden, wodurch die Optimierbarkeit des Prozesses (im Hinblick auf ein angestrebtes mechanisches Eigenschaftsprofil) eingeschränkt wird.Ziel des Projektes ist eine Methodik zur Optimierung von DLK-Verarbeitungsprozessen am Beispiel des Ausgangsbelegungszustandes bei dem Fließpressen von DLK. Aufgrund der hohen Komplexität dieses Prozesses und der langen Wirkungsketten wird der Ansatz der Metamodellbildung der bei der Formgebung wirkenden Einflüsse auf die finalen Bauteileigenschaften verfolgt. Durch Metamodellbildung können Beziehungen repliziert werden, die beim Zeichnen von Stichproben eines komplexen Modells bzw. Zusammenhanges ermittelt wurden. Zur Optimierung des Prozesses hinsichtlich der in dem Projekt verwendeten Optimierungsziele (Minimierung der Bauteilverformung unter Torsion sowie Dreipunktbiegung) werden die Metamodelle mithilfe eines genetischen Algorithmus iterativ ausgewertet und um ergänzende Prozesskonfigurationen sowie daraus resultierender Verformungen erweitert. Das Konvergenzverhalten des Optimierungsansatzes wird hinsichtlich der Abhängigkeit von dem Abstraktionsgrad der Metamodellierung, der Bauteilgeometrie, des Lastfalles sowie temperaturinduzierter Materialeinflüsse untersucht.Die Modellbildung erfolgt daher auf zwei unterschiedlichen Abstraktionsebenen. Auf der ersten Abstraktionsebene wird der unmittelbare Zusammenhang von Prozessgrößen sowie der daraus resultierenden Bauteilauslenkung modelliert. Bei diesem auch „Black-Box“ genannten Ansatz werden das Verhalten des DLK während der Verarbeitung sowie die komplexen Zusammenhänge von Fließen und mechanischer Bauteileigenschaften vernachlässigt. Auf der zweiten Abstraktionsebene erfolgt die Kopplung zweier Metamodelle. Dies ist zum einen ein Metamodell des diskontinuierlichen Fließens des DLK während des Prozesses, wodurch eine Metamodellierung des Materialverhaltens selbst erfolgt. Für die Modellierung des daraus resultierenden Bauteilverhaltens findet als zweites Metamodell ebenfalls ein Black-Box-Ansatz Anwendung. Hierdurch kann eine isolierte Betrachtung des Einflusses einer prozessnahen Metamodellierung isoliert erfolgen. Zum Abschluss des Projektes erfolgt eine Validierung der erarbeiteten Metamodelle durch Kreuzvalidierung sowie eine Bewertung des Optimierungsansatzes im Hinblick auf Generalisierbarkeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen