Problem & Lösung

Unser Ansatz bei der Produkt- und Prozessentwicklung für Kunststoffe basiert auf einem soliden werkstoffwissenschaftlichen Fundament. Dieses erweist sich gerade dann als nützlich, wenn das komplexe Materialverhalten der Kunststoffe den Entwicklungsprozess zu verkomplizieren droht. Über die Jahre haben wir unsere diesbezügliche Herangehensweise verfeinert.

Table of Contents

Ein Kunststoffbauteil hat eine Form, besteht aus einem Material, wird hergestellt und erfährt in der Anwendung eine Last. Die Güte des Bauteils hängt von all diesen Faktoren und deren Wechselwirkung ab. Ein Verständnis dieser Zusammenhänge ermöglicht zweckorientierte Modellbildung. Und ein zweckmäßiges Modell eröffnet neue Lösungswege. Dabei helfen wir mit Beratung, Prüfung und Berechnung.

Bringt man das Material in eine Form, so sind je nach Zusammensetzung und Verarbeitung die Eigenschaften an jedem Ort des Bauteils anders (heterogen) und sind von der Richtung der Belastung abhängig (anisotrop).

Im Bauteil, unter Last, wirken Material und Form zusammen. Dehnungsfelder und Formänderungen bilden sich aus. Es entwickeln sich Spannungsfelder, Eigenspannungsfelder und Lastumlagerungen. Das Bauteil hat eine charakteristische Toleranz für Spannungsspitzen, die von Größenverhältnissen abhängen können.

Je besser wir diese Zusammenhänge kennen, desto besser können wir sie bei der Bauteilentwicklung berücksichtigen. Je genauer wir diese Zusammenhänge messen und berechnen können, desto besser können wir das Bauteil für die auftretenden Lasten optimieren. Jedoch, Versuch wie Berechnung verschlingen Zeit und Geld. Also gilt es, so einfach wie möglich, und so detailliert wie notwendig vorzugehen.

Modellbildung

Hierbei unterstützen wir unter Beantwortung dieser Fragen:

  • Welche Phänomene sollen berücksichtigt oder weggelassen werden?
  • In welchen Bereichen liegen die auftretenden Größen (Spannungen, Dehnungen, Zeiten, …)
  • Welche Methoden, Programme und Modelle sollen eingesetzt werden?
  • Wie können Erfahrung, Gedankenexperiment, Versuch und Berechnung zu effizienten Lösungswegen verknüpft werden?

Zur Klärung der Fragen führen wir Vorversuche durch und stellen erste Berechnungen an.

Versuchsplan

Nach Abschluss eines Modellbildungsschrittes gilt es, Versuche zur Bestimmung der Modellparameter zu planen. Der Versuchsplan gibt Antworten auf folgende Fragen:

  • Welche Versuche, mit welchen Versuchsparametern, in welcher Anzahl, werden durchgeführt?
  • Welche Probenformen werden verwendet?
  • Wie werden die Proben hergestellt?
  • Welche Versuchsdokumentation ist notwendig?

So entsteht ein effizienter Versuchsplan, der den Anforderungen der Parameteridentifikation genügen soll.

Versuchsdurchführung

Unser Labor ist zur thermo-mechanischen Charakterisierung von Kunststoffen und Kunststoffbauteilen eingerichtet. Unserer Fokus:

  • Versuche zur Bestimmung der Parameter nichtlinearer Materialmodelle
  • Charakterisierung heterogener und anisotroper Werkstoffe
  • Bauteilprüfung und Probennahme aus Bauteilen
  • Temperaturabhängige Eigenschaften im Bereich -80°C bis 250°C
  • Feuchteabhängige Eigenschaften (PA).

Wir dokumentieren ausführlich und rechnergestützt: geprüfte Bauteile, Proben, Versuchsprogramme, Versuchsergebnisse und Rohdaten. Das ermöglicht die umfassende statistische Auswertung und eingehende Prüfung der Ergebnisse. Auch eine effiziente rechnergestützte Verarbeitbarkeit der Daten (Excel Format) ist sichergestellt.

Identifikation der Modellparameter

Ist das (Material)modell gewählt und liegen geeignete experimentelle Daten bereits vor, so führen wir die Identifikation der Modellparameter durch. Bezüglich der Software liegt unser Schwerpunkt bei Abaqus und mit Abaqus verwendbarer Software. Im Resultat liefern wir den Parametersatz für das Materialmodell und einen Modell-Experiment Vergleich für jedes Experiment.

Finite Elemente Methode

Ausgehend von einer klaren Spezifikation von Geometrie, Modellbildung & Modellparametern, sowie der Lasten, führen wir FE Berechnungen durch. Als Software nutzen wir Abaqus mit Erweiterungen zur Materialmodellierung und Lebensdauerabschätzung.
Unsere besondere Stärke liegt bei:

  • Vorhersage des zeit- und temperaturabhängigen Verformungs- und Schädigungsverhaltens (Kriechen, zyklische Verformung, …)
  • Lebensdauerabschätzung für Bauteile aus kurz- und langfaserverstärkten Polymeren und SMCs