Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Mehraxiales Kriechverhalten von Bauteilen aus Thermoplasten unter Temperatureinfluss

Ein praxistaugliches Verfahren zur Auslegung der Bauteile aus unverstärkten Thermoplasten unter zeitlich veränderlichen mehraxialen Belastungen und Temperatureinfluss wird bereitgestellt.

Das viskoelastische Materialverhalten wird mit der Berücksichtigung der Zug/Druck-Unterschiede und der Querdehnungen beschrieben. Bei der 3D-Generalisierung werden die Effekte der Kompressibilität berücksichtigt. Die Parameter des Modells werden aus den Versuchen an DIN-Zugstäben und Kreis-lochscheiben automatisch ausgewertet. Das Modell wird mit Hilfe der CAS Mathematica getestet und in den FEM-Code programmiert. Die Versuchsdaten am Praxisbauteil werden mit den FEM-Ergebnissen verglichen. Abweichungen werden analysiert und minimiert.

Für die Reduktion der Versuchszeit und die Absicherung der Messergebnisse wird neue Messtechnik angepasst. Die Parameter des Modells werden in der Abhängigkeit von der Materialstruktur (amorph oder teilkristallin) eingeschränkt. Diese Einschränkung wird auch zuverlässige Anwendung der vorhandenen Messdaten, die u. a. in der CAMPUS® Werkstoffdatenbank gesammelt sind, erlauben. Die genauere Auslegung der Bauteile aus Thermoplasten unter veränderlichen Belastungen und Temperaturen wird durch die materialgerechte Modellierung erreicht.

Zahlreiche Ingenieur- und Konstruktionsbüros beschäftigen sich mit der Auslegung von Bauteilen aus Thermoplasten. Zur Parameteridentifikation verwenden sie die Daten aus uniaxialen Zugversuchen unter ruhenden Belastungen. Reale Belastungen rufen mehrdimensionale Spannungszustände hervor, die sich aus Zugversuchen nicht beschreiben lassen. Die Unsicherheiten werden durch die Überdimensionierung kompensiert. Das Nutzen für kmU liegt in der materialgerechten Modellierung und als Folge in der genaueren Auslegung der Bauteile aus Thermoplasten unter relevanten Belastungen und Temperaturen. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Bauteils bei gleichzeitiger Gewichtreduktion.

Ergebniszusammenfassung:

Das Projekt betrachtet die Vorhersage viskoelastischer Effekte in thermoplastischen Bauteilen unter 3D-Belastung und Temperatureinfluss. Zur Analyse der Kriecheigenschaften wurden zwei unverstärkte Thermoplaste ausgewählt, die sich unterschiedlich unter Zug- und Druck verhalten.

Im Projekt wurden lineare und nichtlineare Kriechtheorien generalisiert. Zuerst wurde die klassische Fließregel verallgemeinert indem zusätzliche Terme, die das "Material-Erinnerungsvermögen" steuern, eingeführt wurden. Die Fließfläche wurde angepasst, um zulässige Querdehnungen während des Druck-Kriechens zu erhalten. Diese Methode wird aus theoretischer Sicht diskutiert, erwies sich für die Praxis aber als zu sensibel in Bezug auf Versuchsstreuungen. Im dritten Schritt wurde auf der Basis der linearen Viskoelastizität die neue Theorie der multilinearen Viskoelastizität entwickelt. Die Besonderheiten des Materialverhaltens wurden mit der multimodalen Elastizitätstheorie erfasst. Diese Theorie wurde als FEM-code implementiert, getestet und für die Anwendung als zuverlässig und benutzerfreundlich empfohlen. Für die Vorhersage des 3D-Kriechens wurden Materialdaten unter verschiedenen Spannungszuständen benötigt. Für die experimentelle Prüfung der Materialeigenschaften beim Zug unter Temperatureinfluss wurde auf einen bestehenden Testaufbau zurückgegriffen. Für die Druck- und Scherprüfungen wurden spezielle Spannvorrichtungen für konventionelle Zugprüfmaschinen entwickelt und eingesetzt. Für den Scherversuch wurden die bekannten Probekörper modifiziert und unter Berücksichtigung des Spritzgießprozesses optimiert. Die simulierten Ergebnisse wurden mit Testergebnissen am Bauteil validiert. Die Anwendbarkeit und die Grenzen der vorgestellten Theorien wurden diskutiert.

Die im Forschungsvorhaben entwickelte Methode liefert durch praxisgängige Simulationsansätze und modifizierte Materialcharakterisierungsversuche einen wichtigen Beitrag um thermoplastische Bauteile sicherer auslegen zu können.