Wechselwirkungen zwischen Reifen und Vulkanisationsform beim Formentnahmeprozess
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zu Beginn dieses Transferprojektes waren die Vorgänge während der Reifenentformung und die Einflüsse der beteiligten Parameter wenig verstanden. Vor allem die zunehmenden Probleme durch zu hohe Ausformkräfte machten ein umfangreicheres und detaillierteres Verständnis des Kontaktes zwischen Elastomer und Vulkanisationsform notwendig. Zum einem wurden Erkenntnisse aus experimentellen Untersuchungen und zum anderen aus durchgeführten Simulationen gewonnen. Für den experimentellen Teil entstand ein neuer Prüfstand, mit dem es möglich ist, eine Elastomerprobe praxisnah zu vulkanisieren und anschließend auszuformen. Die dabei gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass das gezielte Einbringen von Fehlstellen, in Form von lokalen Oberflächenbeschichtungen, die Ausformkräfte reduziert. Zusätzliche mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnete Ablöseverläufe bestätigen die zuvor vorhergesagten Startpunkte des Ablöseprozesses. Dabei hat die Geometrie der Beschichtungsfläche einen Einfluss auf den Betrag der Ausformkraftreduzierung. Erstaunlicher Weise bietet eine komplett beschichtete Form kaum eine weitere Verringerung der Ausformkräfte im Vergleich zu einer teilbeschichteten Form. Eine umfangreiche Parameterstudie zeigte, dass nicht alle untersuchten Parameter einen wesentlichen Einfluss auf die Ausformkraft haben. Variationen von Vulkanisationsdruck, Gleitgeschwindigkeit, Hinterschnitt, Fehlstellengröße, Kontaktsteifigkeit und Reibcharakteristik zeigten kaum Änderung der Kräfte. Es ist möglich, die Ergebnisse von einem Profilblock auf ein Reifensegment zu übertragen und die kritischen Kraftspitzen durch die vorhandene komplizierte Bauteilgeometrie bei Winterreifen dauerhaft auf ein maschinen- und reifenverträgliches Niveau zu senken. Mit den Simulationen konnte ein Grundverständnis des Ablöseprozesses erlangt werden. Insbesondere die Bedeutung von Spannungsspitzen und einem sequenziellen Ablösen konnte herausgestellt werden. Die Stabilitätsprobleme der Adhäsionsmodelle finden in der Literatur, unter dem Verweis darauf, dass für geeignete Parameter stabile Lösungen erzielt werden, kaum Beachtung. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass zumindest beim Entformen von Gummi, ausschließlich instabile Parameterkonfigurationen zu realistischen Simulationen führen. Weiterhin wurde zum ersten Mal ein Kontakt- und Adhäsionsmodell im Rahmen der Mortar-Methode implementiert. Das entstandene Simulationswerkzeug bietet vor allem bei der Berechnung komplexer Kontaktprobleme mit zusätzlicher Adhäsion Vorteile. Insgesamt das Projekt einen tiefen Einblick in den Formentnahmeprozess geliefert und bietet zahlreiche gute Möglichkeiten der wirtschaftlichen Weiterverwendung, z.B. der aufgezeigten Wirkung lokaler Beschichtungen, der auch weiterhin vom Projektpartner in Anspruch genommenen Versuchsmöglichkeiten des Demoldingprüfstands und der daraus resultierenden Erkenntnisse, der bereits auf andere Bauteile wie Dichtungen übertragenen Untersuchungsmöglichkeiten am Thermoadhäsionstester und der Abbildung von Ablöseprozesse mit FEM und vereinfachten Modellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Modellierung von Elastomerkontakten, Kautschuk Gummi Kunststoffe 63, Nr. 1-2, (2010), ISSN 09483276, S. 30-35
Kröger, M.; Moldenhauer, P.
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Adhäsioneffekte an Normalkontakten mit Elastomeren, Tagungsband: 52. Tribologie-Fachtagung GfT Band I, Göttingen (2011), S. 2/1-2/15
Kröger, M.
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Dynamic Systems with Rubber Contacts in Technical Applications, (Proc. IOM3 Conference, Rubber in Engineering Group, London 2010, S. 1-9) bzw. Plastics, Rubber and Composites: Macromolecular Engineering, Vol. 40 Nr. 4, 2011, S. 169-174
Moldenhauer, P.; Nepp, R.; Kröger, M.
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Neuer Prüfstand zur Formentnahme von Elastomeren: Untersuchung von Anhaftkräften, Ingenieur Spiegel 3/2011, 2011, S. 79-80
Nepp, R.; Thiele, S.; Kröger, M.
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Visualization and Simulation of Detaching Processes of Tyre Tread Blocks During Demoulding, DKT 2012 - Deutsche Kautschuk-Tagung, Tagungsband, 2012, S. 1-9
Nepp, R.; Kröger, M.
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Adhesion effects in the contact between rubber and counterpart, ECCMR, San Sebastian 2013, S. 1-6
Kröger, M.
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Friction and Adhesion of Rubber Contacts at High Temperatures, World Tribology Congress WTC, Turin, 2013, S. 1-3
Berndt, C.; Nepp, R.; Kröger, M.
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Methods to stabilize demolding simulations, GAMM 84th Annual Meeting, Novi Sad, Serbien 2013 bzw. 3rd International Conference on Computational Contact Mechanics, Lecce, Italien 2013
J.-H. Dobberstein; P. Wriggers
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Interaction between rubber material and mold during demolding, Dissertation an der Leibniz Universität Hannover, 2014
J.-H. Dobberstein
