Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung des temperaturabhängigen Relaxationsverhaltens von thermoplastischen Elastomeren unter Berücksichtigung der Anisotropie und mehrachsiger Beanspruchungszustände anhand eines aufwandsoptimierten Versuchsplans zur effizienteren Auslegung von TPE-Bauteilen

Der Bedarf an Polymerwerkstoffen mit ausgeprägten gummiartigen Eigenschaften, wie hohe Elastizität, Dehnbarkeit und gutes Rückstellverhalten, steigt stetig. Mit einem jährlichen Wachstum von bis zu 5 % zählen TPE zu den innovativsten Polymerwerkstoffen. Dabei vereinen TPE die Gebrauchseigenschaften von Gummi und die Verarbeitungseigenschaften von Thermoplasten. Die mechanischen Eigenschaften von TPE werden maßgeblich durch den Verarbeitungsprozess und die Orientierungen der Thermoplast- und Elastomerphase bestimmt. Typische Anwendungsbeispiele für TPE-Bauteile finden sich im Automobilbereich, wo sie über längere Zeiten konstanten Lasten ausgesetzt werden. Dieses Materialverhalten kann in der Finiten-Elemente-Methode (FEM) nur sehr eingeschränkt und mit hohem prüftechnischem und wirtschaftlichem Aufwand abgebildet werden. Vor allem der Einfluss der Anisotropie auf das Materialverhalten wird unzureichend beschrieben.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein Modellierungsansatz zu entwickeln, der das Langzeitverhalten von TPE-Bauteilen abbildet. Innerhalb des Modellierungsansatzes sollen die wesentlichen Einflussgrößen auf das viskoelastische Werkstoffverhalten, wie die Anisotropie, die Temperatur und der Beanspruchungszustand berücksichtigt werden. Zusätzlich soll ein aufwandsoptimierter Versuchsplan entwickelt werden, mit dem eine möglichst genaue Kalibrierung des Materialmodells erreicht wird. Durch eine abschließende Kopplung der Prozess- mit der Struktursimulation kann der lokale Grad der Anisotropie bei der Auslegung und Dimensionierung berücksichtigt werden, wodurch innerhalb der FEM eine deutlich realitätsnähere Abbildung des Materialverhaltens ermöglicht wird. Die zu entwickelnde Materialbeschreibung sowie die effiziente Bestimmung der benötigten Materialparameter ermöglicht den KMU 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 Effekte der fertigungsbedingten Anisotropie , der Temperatur und des Beanspruchungszustands auf das quasi-statische und das Langzeitverhalten untersucht. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Werkstoffverständnis der Werkstoffgruppe der TPE bei.

Basierend auf den durchgeführten mechanischen Untersuchungen wurden Materialmodelle weiterentwickelt und daraus ein Beschreibungsansatz erarbeitet, der das nichtlinear elastische, sowie das Relaxationsverhalten des Werkstoffs in Abhängigkeit der Temperatur und des Beanspruchungszustands darstellen kann. Hierfür wurde das Neo-Hooke-Modell für das nichtlinear elastische Materialverhalten und ein paralleles rheologisches Netzwerk zur Beschreibung des viskoelastischen Verhaltens verwendet.

Die Materialparameter wurden anschließend über geeignete Ansatzfunktionen in Abhängigkeit der Temperatur und des Dehnmodenexponenten, welcher zur Beschreibung des lokalen Beanspruchungszustands verwendet wurde, formuliert. Die Implementierung der erweiterten Materialmodelle in ABAQUS erfolgte über USER-Subroutinen, die miteinander kombiniert wurden. Zur Berücksichtigung der lokalen, fertigungsbedingten Anisotropie wurde eine integrative Simulationskette in Kombination mit der Software SIGMASOFT entwickelt. Hiermit kann aus dem lokalen Orientierungszustand ein Anisotropiefaktor in Abhängigkeit der Belastungsrichtung berechnet werden.

Zur Validierung wurden integrative Simulationen an den Probekörpergeometrien durchgeführt und mit den Versuchsdaten verglichen. Der Vergleich der Simulationsergebnisse zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Versuchsdaten. Auch die Anisotropie kann mit dem entwickelten Materialmodell abgebildet werden. Eine Übertragung der Simulationsmethodik auf eine reale Bauteilgeometrie konnte ebenfalls realisiert werden.