Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentelle Untersuchungen und Erweiterung der kontinuumsmechanischen Modellierung von geschäumten Elastomeren

Moosgummi ist ein gemischtzellig getriebener Gummi-Werkstoff von ho-her Druckelastizität und gutem Rückstellvermögen. Es verbindet eine hohe Kompressibilität mit sehr guten Dämpfungseigenschaften und flexibler Verarbeitungsmöglichkeit. Aufgrund der genannten Eigenschaften werden verschiedenste Arten von Dichtungen aus Moosgummi hergestellt. Als Dichtungselement werden Moosgummi-Bauteile hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Aus dem Druckverhalten des Moosgummi-Profils ergibt sich die Forderung nach weichen Profilen für leichte Schließdrücke und festeren Profilen für stärkere Drücke. Durch entsprechende Mischungen und Änderungen des spezifischen Gewichtes (Dichte) kann das Verhalten der Moosgummi-Bauteile dem Einsatzbereich angepasst werden. Um jedoch den Werkstoff an die gegebenen Anforderungen optimal anzupassen, ist eine umfassende Charakterisierung des Materials bezüglich der mechanischen Kennwerte unausweichlich. Allerdings stehen im Falle des heterogenen Moosgummi, im Gegensatz zu konventionellen Werkstoffen, kaum geeignete Werkzeuge zur allgemeinen Materialcharakterisierung zur Verfügung. Sowohl die experimentelle Untersuchung mit Hilfe von üblichen Kraft-Verformungs-Tests, als auch die numerische Simulation des Materialverhaltens mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) ist auf gewöhnlichem Wege nicht möglich. Bezeichnend hierfür ist, dass es bis heute noch kein allgemein gültiges Materialmodell für Moosgummi in kommerziellen Finite-Elemente-Programmen zur Verfügung steht. Der gewählte Modellierungsansatz für Kenntnis der Porenstruktur ist im Besonderen für kleine, finanzschwache Unternehmen interessant, da lediglich eine Charakterisierung des Vollgummimaterials und im einfachsten Fall das Verhältnis Porenvolumen gegen Matrixvolumen (Dichtemessung) ausreichend ist, so dass Änderungen im Produktionsprozess bezüglich Porenvolumen nicht umgehend einer neuen vollständigen Charakterisierung bedürfen.

Ergebniszusammenfassung:

Ein Verfahren zur Mikrostrukturcharakterisierung von Moosgummi auf Basis von Mikro-Computertomographie und Auflichtmikroskopie wurde entwickelt. Es basiert auf vier unabhängigen topologischen Größen, den sogenannten intrinsischen Volumina. Weiter wurde ein Algorithmus entwickelt um Computermodelle von repräsentativen Volumenelementen mit gegebenen intrinsischen Volumina zu generieren. Durch Finite-Elemente-Simulationen konnte damit der Einfluss der Mikrostruktur auf das mechanische Verhalten strukturiert untersucht werden. Die Porosität und die zugrundeliegende Strebenform wurden als maßgebliche Kenngrößen identifiziert. Des Weiteren ergaben experimentellen Untersuchungen, dass der Einfluss der Porenform ebenfalls zu berücksichtigen ist.

Neben der Beschreibung der Mikrostruktur konnte auch das Matrixmaterialverhalten kontinuumsmechanisch zuverlässig beschrieben werden, indem sowohl Effekte wie Materialerweichung, Setzverhalten und viskose Einflüsse betrachtet wurden.

Das primäre Ziel der Entwicklung eines kontinuumsmechanischen Materialmodells für Elastomerschäume unter der Berücksichtigung von mikrostrukturellen Kenngrößen und dem Matrixmaterialverhalten wurde erreicht.

Das Modell wurde als Subroutine zur Einbindung in zwei kommerzielle Berechnungsprogramme zur Verfügung gestellt, welche den Industriestandard darstellen. Somit kann das Modell zukünftig von Unternehmen, welche sich mit der Herstellung, Verarbeitung, Bereitstellung oder ingenieurtechnischen Auslegung von geschäumten Elastomerbauteilen beschäftigen, genutzt werden.

Validiert wurde das Modell an Eigenherstellungen und industriellen Schäumen. Zudem erfolgten gemeinsam mit den Firmen des Projektbegleitenden Ausschusses Bauteiluntersuchungen an einer Autotürdichtung und an Tischtennisschlägerbelägen.