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Verbundwerkstoffe multiskalar modellieren

Modellierung von Verbundwerkstoffe mit Integrated Computational Materials Engineering (ICME) von der Mikro- bis zur Makroebene. Grafik: e-Xstream

Von der molekularen Ebene der Matrix über die Faseranbindung bis zur Vorhersage im Originalmaßstab: Digimat 2020 modelliert Verbundwerkstoffe multiskalar.

Hexagon Manufacturing Intelligence stellt mit seinem Team von e-Xstream Engineering eine neue Version seiner Software Digimat zur multiskalaren Modellierung von Verbundwerkstoffen vor. Die neue Version erweitert damit die Funktionen zur Faserverbundentwicklung über alle Skalen hinweg und ist Teil einer Integrated Computational Materials Engineering (ICME) von Hexagon.

Modellieren von der Mikro- über die Meso- bis zur Makroebene

Kosteneinsparung bei der Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe hat für Materiallieferanten und Hersteller hohe Priorität. Die Materialentwicklung bleibt jedoch hochkomplex, da jeder Aspekt, von der chemischen Zusammensetzung der Polymermatrix bis zum Herstellungsprozess, das endgültige Verhalten beeinflusst. Um diese Komplexität abzudecken, wurde Digimat um eine Molekulardynamiksoftware erweitert. Mit den Funktionalitäten auf Mikroebene lassen sich nun die Eigenschaften eines Materials anhand seiner chemischen Struktur vorhersagen.

Auf der Mesoebene wurde der direkte Engineering-Workflow für unidirektionale Faserverbundwerkstoffe weiterentwickelt, so dass nun die Eigenschaften von Gewebelagen basierend auf ihren physischen und virtuellen Bestandteilen vorausberechnet werden können.

Verbundwerkstoffe effektiv einsetzen

„Um Verbundwerkstoffe effektiv und wirtschaftlich einzusetzen, zählt jeder Aspekt – von der eigentlichen Form des Bauteils bis zum Lagenaufbau, von den gewählten Bestandteilen bis zum Verlauf des Herstellprozesses. Ingenieure müssen all das in ihrem Entwurf für Verbundwerkstoffe berücksichtigen. Die Fortschritte in der Simulation helfen den Konstrukteuren, das volle Potenzial moderner Materialien auszuschöpfen, indem sie all diese Verflechtungen berücksichtigen und die Informationen durch einen ICME-Ansatz umsetzbar machen”, sagt Philippe Hébert, Product Manager bei e-Xstream Engineering.

Sicherheitsfaktoren genauer bestimmen

Schädigungseffekte, wie Porosität oder beim Automatic Fiber Placement entstandene Lücken, lassen sich jetzt für das gesamte Probestück ermitteln – mithilfe modernster Progressive-Failure-Modelle. Dementsprechend können die Ingenieure bei ihren Sicherheitsfaktoren für die Optimierung von Materialverbrauch und Leichtbauteilen größeres Vertrauen in die Genauigkeit haben.

Darüber hinaus ermöglicht Digimat 2020 über Benutzer-Subroutinen eine Progressive Failure Analyse in Strukturberechnungsprogrammen wie Marc oder  MSC Nastran. So bekommen Entwickler eine detaillierte und genaue Vorhersage der Schädigung von Strukturen unter Last, während gleichzeitig Überdimensionierungen reduziert werden.

Teure Werkzeugänderungen zu vermeiden

Außerdem wurde die fertigungsgerechte Konstruktion – Design for Manufacturing – verbessert. Neue Funktionen helfen, teure Werkzeugänderungen zu vermeiden, indem sie einen digitalen Zwilling aus Digimat in thermomechanische Finite-Elemente-Programme wie Marc, Abaqus oder LS Dyna einbinden. Mit dieser offenen Integration kann der Entwickler aus der Verarbeitung entstandenen Verzug berücksichtigen und die Werkzeugauslegung anpassen, um die geforderte Geometrie zu erzielen.

mg