Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierung sowie Modellbildung zur Beschreibung von Kompressionsmoduli technischer Gummiwerkstoffe

In der Auslegung von Elastomerbauteilen steht zu Beginn ein aufwendiger Entwicklungsprozess. Dieser Prozess wird oftmals mit Finite-Elemente-Analysen (FEA) zur Vorhersage der mechanischen und dynamischen Eigenschaften begleitet. Insbesondere für Dichtungsanwendungen sind vorab Aussagen über die Verformungen im Bauteil sowie Anpressdrücke, somit Aussagen zur Beständigkeit, von großem Interesse. Im Gegensatz zur Reifenindustrie, die fast ausschließlich sehr große Unternehmen umfasst, sind in der Herstellung von technischen Gummiwaren wie z.B. Feder-Dämpfer-Elementen, Dichtungen, Profilen und Schläuchen zahlreiche kleinere und mittlere Unternehmen tätig, für die die Projektergebnisse und deren Umsetzung auf Grund zu meist relativ geringer Entwicklungskapazitäten besonders wichtig sind. Zur Vorabberechnung per FEA sind Materialmodelle für die technischen Gummiwerkstoffe von Nöten. In Vereinfachung wird für die eingesetzten Elastomere Inkompressibilität angenommen. Diese Annahme ist korrekt für einfache Zugzustände. Überlagern sich einfache Zugzustände mit hydrostatischem Druck können deutliche Abweichungen zwischen der Annahme idealer Inkompressibilität sowie Kompressibilität vorkommen. In realen Bauteilbelastungen wird das Elastomer zudem zyklisch belastet und Teilbereiche im Bauteil erfahren unterschiedliche Belastungshistorien. Die aus der Belastung resultierende Inelastizität und Materialerweichung zum einem und Effekte eines nichtlinearen Kompressionsmoduls zum anderen führen in der Validierung bestehender Materialmodelle zu unbefriedigenden Resultaten. Im Rahmen dieses Projektes soll insbesondere ein Augenmerk auf die Quantifizierung des Kompressionsmoduls auf zyklische hydrostatischer Drücke, vgl. Dichtungen, gelegt werden. Diese Betrachtung findet bisher in der Literatur kaum Beachtung. Auf Grundlage der experimentellen Versuche wird ein geeignetes Materialmodell zur Beschreibung der Effekte erweitert und in der FEA validiert.

In der Herstellung von technischen Gummiwaren wie z.B. Feder-Dämpfer-Elementen, Dichtungen, Profilen und Schläuchen sind zahlreiche KMU tätig, für die die Projektergebnisse und deren Umsetzung auf Grund zu meist relativ geringer Entwicklungskapazitäten besonders wichtig sind.

Ergebniszusammenfassung:

Alle kautschukverarbeitenden Betriebe, die Hersteller von Bauteilen, Anbieter von FE-Simulationsdienstleistungen und die Anbieter von Software zur FEM-Berechnung können ihre FEM-Software und Dienstleistungen unter Nutzung der Projektergebnisse entsprechend bewerten. Sofern die beobachteten Effekte in der Nichtlinearität der FE-Simulation berücksichtigt werden sollen, stehen mit Abschluss des Projektes die Werkzeuge hierfür zur Verfügung. Über die drei Simulationsbeispiele ist es möglich, für ähnliche Bauteile Simulationsstrategien abzuleiten und etwaige FE-Simulationen besser einschätzen zu können.

Die ausführliche Charakterisierung verschiedenster Elastomere in AP1 (Kapitel 4.1) ermöglicht eine untere und obere Abschätzung allgemeiner Kompressionsmoduln technisch-genutzter Elastomere. Auch die Versuchsreihen zum zyklischen Verhalten erlauben diese Abschätzungen. In Kombination mit den Simulationsbeispielen aus AP7 (Kapitel 4.7) können Anwender/innen von FEM-Software bewerten, ob eine ausführliche Charakterisierung der genutzten Elastomerwerkstoffe nötig ist. Die Erkenntnisse zum aktuellen Stand der Technik, also wie zuverlässig sind Berechnungen für kompressionsbelastete Elastomerbauteile, sind sowohl für FE-Dienstleister/innen, oft Ingeniuerbüros als KMUs, als auch die entsprechende Kunden wichtig. In Zeiten der Digitalisierung und Nutzung von Berechnungsverfahren für die Geometrieoptimierung per FEM ist es unabdingbar, die Genauigkeit der Vorhersage im Vorfeld beurteilen zu können. Nur so können die gewünschten Effekte der Digitalisierung, wie eine reduzierte Anzahl von Charakterisierungsexperimenten, eine deutliche Zeit- als auch Kostenersparnis erzielt werden. Um zum Bespiel Kavitationsschäden per FEA beurteilen zu können, ist eine korrekte Berechnung des hydrostatischen Drucks von großer Bedeutung. Dies ist jedoch nur möglich, sofern das Kompressionsverhalten korrekt abgebildet wird, siehe auch AiF-iGF-Vorhaben 20537N.