Kompaktierungssimulation für effiziente Strukturen aus Verbundwerkstoffen
Composite-Bauteile werden in der Strukturauslegung häufig mit idealisierten Materialmodellen beschrieben. Jeder Lage werden eine definierte Dicke, ein Faservolumengehalt und eine Orientierung zugewiesen. Für frühe Entwurfsphasen ist dieser Ansatz sinnvoll. Bei hochbelasteten Strukturen im Leichtbau bestimmt jedoch der Fertigungsprozess maßgeblich, welcher Laminatzustand tatsächlich entsteht – und welche strukturellen Eigenschaften daraus resultieren.
Beim lagenweisen Aufbau werden Fasern unter Vorspannung über ebene oder gekrümmte Geometrien geführt und durch nachfolgend abgelegte Lagen erneut kompaktiert. Dadurch verändern sich Rovingquerschnitt, Lagendicke und Faservolumengehalt. Diese Kompaktierung bestimmt den lokalen Faseranteil und damit die Eigenschaften des entstehenden Laminats.
CIKONI hat einen neuartigen, prozessnahen Ansatz entwickelt und validiert, um kompaktierungsabhängige mechanische Kennwerte zu berücksichtigen. Dabei werden experimentelle Charakterisierung und numerische CFK-Simulation miteinander verbunden. Ziel ist nicht die nachträgliche Erklärung einzelner Fertigungseffekte, sondern ein besseres Verständnis des entstehenden Laminatzustands bereits während der digitalen Entwicklung. Dadurch entsteht eine höhere Leichtbaugüte und eine belastbarere Grundlage für die Entwicklung von Leichtbaustrukturen.
Warum Kompaktierung in der CFK-Entwicklung relevant ist
Der Faservolumengehalt beeinflusst Steifigkeit, Festigkeit und weitere zentrale Parameter der Bauteilqualität unmittelbar. Die reale Lagendicke wirkt sich auf Laminatgeometrie, Spannungsverteilung und Masse aus. Werden diese Größen global angenommen oder zu früh idealisiert, entstehen Unsicherheiten in der strukturellen Bewertung.
Die Untersuchungen zeigen, dass der Kompaktierungszustand von zahlreichen Einflussgrößen abhängt, insbesondere von den auf den Roving wirkenden Normal- und Axialspannungen, dem Ablagewinkel, der Krümmung, dem Materialzustand und der Lagenfolge. Beim Wickelprozess werden innenliegende Lagen beispielsweise durch später abgelegte Lagen weiter kompaktiert. Außenliegende Lagen unterliegen anderen Randbedingungen. Der finale Laminatzustand ist daher über die Dicke nicht homogen, sondern prozessabhängig.
Für Lightweight Engineering ist das unmittelbar relevant. Ohne Berücksichtigung der Kompaktierung und der lokalen Laminateigenschaften können Sicherheitsreserven falsch eingeschätzt oder Bauteile unnötig konservativ ausgelegt werden. Ein digitales Modell ermöglicht dagegen, realistischere lokale Laminatkennwerte aus dem Fertigungsprozess abzuleiten. Dadurch lässt sich das Material gezielter nutzen, wodurch nicht nur Gewicht, sondern auch Materialkosten reduziert werden können.
Vom Carbon-Fiber-Roving zur lokalen Einheitszelle
Die Grundlage bildet eine eigens entwickelte experimentelle Methodik zur Charakterisierung einzelner Rovings unter definierten Randbedingungen. Rovings werden unter axialer Vorspannung über eine gekrümmte Oberfläche geführt und anschließend vermessen. Aus den Messdaten lassen sich Querschnittsfläche, Breite, effektive Dicke und Faservolumengehalt ableiten.
Abbildung 1: Messung von Kompaktierungseffekten an Einzelrovings
Diese Daten werden zur Kalibrierung eines numerischen Modells genutzt. Ziel ist nicht, jedes mikroskopische Detail vollständig abzubilden, sondern eine robuste und effiziente Beschreibung der relevanten Kompaktierungseffekte zu etablieren. Anschließend wird das Modell auf eine Einheitszelle eines mehrlagigen Laminats übertragen. Dadurch lassen sich die Einflüsse von Lagenfolge, Orientierung und Vorspannung auf den Kompaktierungszustand effizient vergleichen.
Zentrale Erkenntnisse
Simulationen und Versuche zeigen, dass die Kompaktierung in mehrlagigen Laminaten stark ungleichmäßig verteilt ist. Lagen, die nominell identisch aufgebaut sind, können nach dem Fertigungsprozess unterschiedliche Dicken und Faservolumengehalte aufweisen. Besonders aussagekräftig ist der Verlauf über die Laminatdicke, da er die Prozesshistorie jeder einzelnen Lage sichtbar macht.
Ein Laminat ist damit nicht nur ein Stapel idealisierter Einzellagen. Es ist das Ergebnis einer mechanischen Interaktion zwischen Roving, Spannung, Krümmung und bereits abgelegten Lagen. Genau diese Interaktion bestimmt lokale Eigenschaften, die für nachgelagerte Strukturbewertungen und die CFRP Simulation hochrelevant sind.
Abbildung 2: Lagendicke und Faservolumengehalt in einem mehrlagigen Laminat
Nutzen für den Composite-Leichtbau
Ein naheliegendes Anwendungsfeld sind gewickelte CFRP-Druckbehälter, insbesondere Typ-4- und Typ-5-Drucktanks für hohe Drücke und entsprechend große Wandstärken. Die Methode ist jedoch deutlich breiter einsetzbar, etwa für weitere gewickelte oder geflochtene CFRP-Bauteile wie Hohlprofile, lokale Verstärkungen und komplexe Leichtbaustrukturen mit mehrlagigem Laminataufbau.
Der Nutzen ist besonders dort groß, wo konventionelle Berechnungsmodelle zu früh vereinfachen. Prozessnahe Modelle reduzieren Unsicherheiten zwischen Fertigung und Simulation. Sie unterstützen eine realistischere Bewertung virtueller Prototypen, eine gezieltere Materialausnutzung und eine bessere Ausschöpfung von Leichtbaupotenzialen innerhalb der Grenzen realer Herstellbarkeit.
Gerade bei der Entwicklung neuartiger Composite-Prozesse reicht es häufig nicht aus, bestehende Simulationsroutinen anzuwenden. Entscheidend ist die Fähigkeit, Prüfmethoden, Modellbildungsansätze und Auswertestrategien auf die jeweilige technische Fragestellung abzustimmen und bei Bedarf neue Methoden zu entwickeln. Genau in diesem Zusammenspiel aus Versuch, Simulation und anwendungsnaher Interpretation entsteht der eigentliche Entwicklungshebel – und die Kernexpertise von CIKONI.
Fazit
Kompaktierung beeinflusst Lagendicke, Faservolumengehalt und lokale Bauteileigenschaften. Eine prozessnahe Kompaktierungssimulation macht diese Effekte sichtbar und unterstützt eine realistischere Entwicklung faserverstärkter Composite-Strukturen.
Der Ansatz zeigt, wie sich komplexe Fertigungseffekte in belastbare digitale Modelle überführen lassen. Dadurch entsteht eine Verbindung zwischen Prozessverständnis und Strukturbewertung, die für anspruchsvolle Entwicklungen im Bereich Composite Materials zunehmend entscheidend wird.
Bei CIKONI bieten wir tiefgehende Entwicklungskompetenz im Leichtbau und im Bereich Composite Materials. Wir realisieren End-to-End-Lösungen für erfolgskritische Anwendungsfelder. Vom Konzept über die Bauteilentwicklung bis zur Industrialisierung sind wir Ihr Partner für anspruchsvolle Leichtbauprojekte.
