Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Effiziente Prüfung und Beschreibung des temperaturabhängigen visko-elasto-plastischen Werkstoffverhalten von thermoplastischen Elastomeren unter komplexen Beanspruchungszuständen

Thermoplastische Elastomere (TPE) kombinieren die Gebrauchseigenschaften von Gummi und die Verarbeitungseigenschaften von Thermoplasten. Mit jährlichen Zuwachsraten von 6 7 % zählen TPE zu den wichtigen innovativen Polymerwerkstoffen. Zur Entwicklung und Dimensionierung von komplexen technischen TPE-Bauteilen hat sich die Finite-Elemente-Methode (FEM) als unverzichtbares Werkzeug etabliert. Der wirtschaftliche und technische Aufwand, der betrieben werden muss, um genaue FE-Simulationen des Verformungsverhaltens von TPE-Bauteilen durchzuführen, ist aufgrund der Vielzahl erforderlicher Prüfungen und durch die notwendige Komplexität der Prüftechnik sehr hoch. In den kommerziellen FE-Programmen existiert derzeit kein Werkstoffmodell, welches das komplexe Materialverhalten von TPE zufriedenstellend beschreiben kann.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist daher eine Methode zur effizienteren Prüfung und Dimensionierung technischer TPE-Bauteile. Innerhalb der Methode werden die wesentlichen Effekte sowie Einflussgrößen auf das Werkstoffverhalten von TPE, wie das stark nichtlineare Spannungs-/Dehnungs-Verhalten, die Spannungserweichung nach erstmaliger Belastung, die plastische Verformung sowie die Abhängigkeit dieser Größen von der Temperatur und dem Beanspruchungszustand berücksichtigt und innerhalb der FEM realitätsnah abgebildet. Das zu entwickelnde Materialmodell beruht auf einem allgemeingültigen rheologischen Modell, welches durch TPE-gerechte Beschreibungsansätze erweitert wird. Dabei werden sowohl auf in FE-Programmen bereits verfügbare Ansätze zurückgegriffen als auch neue Beschreibungsansätze in die FEM implementiert. Die entwickelte Materialbeschreibung sowie das Konzept zur effizienten Materialparameterermittlung ermöglicht den kmUs eine kostengünstigere, effizientere und genauere Auslegung und Optimierung von TPE-Bauteilen. Dies führt zu einer direkten Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der kmU.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb des Forschungsvorhabens wurden umfangreiche Untersuchungen zum mechanischen Verhalten von Thermoplastischen Elastomeren durchgeführt. Dabei wurden die Einflussgrößen Härte, Materialtyp, Temperatur und Beanspruchungszustand auf die detektierten Materialeffekte nichtlineares Materialverhalten, Restverformung und Spannungserweichung untersucht. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Werkstoffverständnis der noch relativ jungen Werkstoffgruppe der TPE bei.

Basierend auf den durchgeführten mechanischen Untersuchungen wurde aus bestehenden elastomeren Materialmodellen ein Beschreibungsansatz entwickelt, der das visko-elasto-plastische Materialverhalten in Abhängigkeit der Temperatur und des Beanspruchungszustandes beschreibt. Hierbei wurde u. a. das Kilian-Modell für das nichtlineare Materialverhalten, das Modell der Pseudoelastizität für die Abbildung der Spannungserweichung und eine Verfestigungsfunktion für die simulative Abbildung der Restverformung verwendet.

Die Materialparameter wurden anschließend über geeignete Ansatzfunktionen in Abhängigkeit der Temperatur und des Dehnmodenexponenten, welcher für die Bestimmung des lokalen Beanspruchungszustands verwendet wurde, formuliert. Die Implementierung der erweiterten Materialmodelle erfolgte über drei unterschiedliche USER-Subroutinen, welche zusätzlich miteinander kombiniert wurden.

Die Validierung des implementierten Materialmodells erfolgte anhand eines Praxisbauteils. Die Gegenüberstellung der ermittelten mit den berechneten Daten zeigte aktuell noch wesentliche Schwächen bei der Abbildung der Anfangssteifigkeit und folglich auch der Spannungserweichung und Restverformung. Grundsätzlich ist der Ansatz aber in der Lage den Einfluss der Temperatur und des Beanspruchungszustandes abzubilden. Dennoch bedarf es weiterer Untersuchungen und Entwicklungen im Bereich der Modellierung von TPE, um eine werkstoffgerechte Auslegung von komplexen Bauteilen zu ermöglichen.