Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Multiskale Simulation der makroskopischen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen am Beispiel des Dehnungs- und Relaxationsverhaltens von Leder

Leder ist ein begehrter nachwachsender Werkstoff, der vor allem in der Fertigung hochpreisiger Gebrauchsgüter Verwendung findet. Die natürlich gewachsene Lederstruktur bedingt eine materialinhärente Varianz und ausgeprägte Anisotropie der physikalischen Eigenschaften. Damit das Potential des Ausgangsmaterials den Beanspruchungen im Gebrauch ausgeschöpft werden kann, ist eine fundierte Charakterisierung unerlässlich. Die Erfassung der strukturbedingten physikalischen Materialeigenschaften des gesamten Leders ist mittels standardisierter Prüfverfahren nicht realisierbar, da diese eine Zerstörung des Untersuchungsmaterials implizieren.

Aus der industriellen Massenfertigung ergibt sich die Notwendigkeit, Bauteile am Computer zu entwerfen und deren physikalisch-mechanisches Verhalten vorab numerisch zu beurteilen. Jedoch sind Softwarelösungen für das Flächenmaterial Leder derzeit nicht verfügbar.

Daraus leitet sich das Projektziel ab, unter Applikation einer neuartigen, röntgentomografischen Methodik zur ortsaufgelösten, strukturanalytischen Lederuntersuchung, relevante Strukturparameter zu extrahieren und anschließend die makroskopischen Eigenschaften von Leder in multiskaligen Simulationsanwendungen anhand eines realistischen Modells zu bestimmen. Auf Basis parametrisierter Strukturdatensätze sollen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen abgeleitet und in die Entwicklung eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Quantifizierung der physikalischen Ledereigenschaften mittels multiskaliger Simulationsoperationen implementiert werden. Ziel ist die fundierte Vorhersage typischen Materialverhaltens ganzer Lederhäute.

Die Ergebnisse ermöglichen Wettbewerbsvorteile für die mittelständisch geprägte lederherstellende und lederverarbeitende Industrie in Deutschland durch Verringerung der Entwicklungs- und Herstellungskosten. Ein weiterer Vorteil resultiert gleichzeitig aus der Verbesserung der Eigenschaften der Endprodukte und der daraus folgenden Verringerung der Reklamationsrate.

Ergebniszusammenfassung:

Das Projektziel bestand in der Entwicklung einer zerstörungsfreien Methodik zur Quantifizierung der Zug-Dehnungseigenschaften von Leder mittels multiskaliger Simulationsoperationen, um perspektivisch eine vollumfängliche und fundierte Vorhersage des physikalischen Materialverhaltens ganzer Lederhäute entwickeln zu können. Es ist durch bildgebende Analyseverfahren mittels Mikrocomputertomografie (µ-CT) gelungen, komplette Lederstrukturbereiche sowie entsprechende Substrukturen wie z. B. Kollagenfasern und Kollagenfaserbündel an vegetabil-gegerbten Spaltledern abzubilden. Unter Verwendung eigens entwickelter, automatisiert operierender Segmentierungs- und Parametrisierungsalgorithmen gelang es, sowohl mikroskopische als auch makroskopische Informationen der hierarchischen Lederstrukturen zu extrahieren. Ergänzt durch umfangreiche physikalisch-mechanische Untersuchungen an einzelnen, aus den Lederproben präparierten Faserbündeln, bildeten die in digitaler Form vorliegenden Strukturdaten (z. B. Volumendichte, Faserbündeleigenschaften, Kontakt- und Verzweigungsgeometrien etc.) die Grundlage für die Erstellung eines stochastischen Lederstrukturmodells. Dieses ermöglichte erstmals die multiskalige Simulation elastischer und viskoelastischer Struktureigenschaften am Beispiel des Zug-Dehnungsverhaltens von Leder. Klassisch durchgeführte physikalisch-mechanische Zugversuche zur Validierung der makroskopischen Simulationsergebnisse lieferten sehr gute Übereinstimmungen für die betrachteten Skalen der elastischen und viskoelastischen Verformungsanteile. Schwierigkeiten ergaben sich aus einem unerwarteten Anisotropieverlust der modellierten Lederstrukturen. Für die scheinbar isotropen Netzwerkstrukturen konnten daher die makroskopischen Effekte der strukturellen, anisotropie-induzierten Unterschiede in den Spannungs-Dehnungseigenschaften (z. B. zwischen den Entnahmestellen der Proben) nicht vollständig abgebildet werden.