FaKuLast: Fasern dort ausrichten, wo die Last angreift

Faserverstärkte Kunststoffe sind stark, aber sie sind es nicht überall gleich stark. Der Grund liegt im Einspritzvorgang selbst. An der kalten Werkzeugwand ist die Schergeschwindigkeit hoch, dort werden die Fasern in Fließrichtung gedreht. In der Mitte der Wand fließt die Schmelze dagegen fast als Block, die Scherung ist gering, und die Fasern bleiben überwiegend quer zur Fließrichtung liegen. Über die Wanddicke entsteht so eine Schichtung: außen längs, innen quer.

Für die Konstruktion ist das bislang eher eine Nebenwirkung als ein Werkzeug. Wo das Bauteil trägt, entscheidet der Prozess, nicht der Konstrukteur. Die übliche Antwort auf eine kritische Stelle lautet deshalb: mehr Wandstärke, mehr Fasern, mehr Material im ganzen Bauteil. Diese Richtungsabhängigkeit heißt Anisotropie, und sie wird meist in Kauf genommen statt genutzt.

Das Forschungsprojekt FaKuLast dreht diese Logik um. Der vollständige Titel lautet „Entwicklung von Verfahren zum prozesstechnischen Herstellen und simulationsgestützten Auslegen von hoch belastbaren fasergefüllten Kunststoffbauteilen mit gezielt eingestellter Anisotropie und lokalen Füllgradunterschieden“. Dahinter steht eine einfache Frage: Was wäre, wenn man Faseranteil und Faserausrichtung nicht dem Prozess überlässt, sondern sie dort einstellt, wo die Belastung tatsächlich angreift?

Was im Projekt entwickelt wird

FaKuLast arbeitet an zwei Enden gleichzeitig. Auf der Prozessseite entstehen neue Verfahrensvarianten des Spritzgusses, mit denen sich das Verhältnis von Scherzone zu Kernzone und damit Faserorientierung, Molekülketten und Füllgrad innerhalb eines Bauteils lokal verändern lassen. Auf der Konstruktionsseite entsteht ein simulationsgestützter Ablauf, mit dem sich diese Faserfüllungen im Vorfeld effizient auslegen lassen, bevor ein Werkzeug gebaut wird.

Der erwartete Nutzen ist dreifach: Materialeinsparung, weil das Bauteil nur dort verstärkt wird, wo es tragen muss. Bessere mechanische Eigenschaften bei gleichem oder geringerem Gewicht. Und eine bessere Recyclingfähigkeit, weil weniger Material und ein bewussterer Fasereinsatz die Aufbereitung erleichtern.

Simulation als Werkzeug

Ein Effekt, den man im fertigen Teil nicht mehr sieht, muss vorher berechenbar sein. Deshalb werden die experimentellen Untersuchungen der Projektpartner durchgehend von Simulationen begleitet. SimpaTec bringt dafür Prozesssimulationen des Spritzgussprozesses mit Moldex3D sowie Struktursimulationen ein. So lässt sich am Modell prüfen, wie sich eine Änderung an Anschnitt, Fließweg oder Prozessführung auf die Faserlage und am Ende auf die Belastbarkeit auswirkt.

An Demonstrator-Bauteilen wird überprüft, ob sich die im Modell vorhergesagten Effekte in der realen Fertigung einstellen. Genau an dieser Stelle trifft Forschung auf Fertigungspraxis, und dafür sind die Industriepartner im Projekt.

Die Projektpartner

FaKuLast ist ein Kooperationsprojekt, in dem Hochschule und Industrie zusammenarbeiten. Jeder Partner bringt einen anderen Teil ein.

Eckdaten des Projekts

Was das für Bauteile bedeutet

Für Kunden ist FaKuLast heute noch kein Katalogprodukt, sondern Grundlagenarbeit. Der praktische Bezug ist trotzdem greifbar: Wer ein hoch belastetes Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff plant, steht regelmäßig vor der Abwägung zwischen Festigkeit, Gewicht und Materialkosten. Jedes Zehntel Millimeter Wandstärke, das nicht nötig ist, kostet über eine Serie gerechnet Geld, Zykluszeit und Material.

Dass icotek an dieser Frage forscht, hat einen einfachen Grund. Die Themen, die im Projekt untersucht werden, sind dieselben, die in der täglichen Bauteilauslegung auftauchen. Mehr zu den Werkstoffen finden Sie auf der Seite Werkstoffe, mehr zur Verarbeitung unter Spritzguss.

Verfasst vonLucas BethkeGeschäftsführung · icotek Kunststofftechnik

Lucas Bethke führt icotek in zweiter Generation und begleitet Kundenprojekte von der ersten Idee bis zur Serie.