Physikalisch motiviertes FEM-Stoffgesetz auf Basis der werkstoff- und verarbeitungsinduzierten Morphologie für unverstärkte- sowie verstärkte thermoplastische Kunststoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Gehde (†); Professor Dr.-Ing. Jörn Ihlemann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284349961

Der Stand der Technik zeigt ein Defizit in der Rückführung von existierenden, für FE-Simulationen geeigneten Stoffgesetze für teilkristalline Thermoplaste auf grundlegende physikalische Zusammenhänge und Basisprozesse, insbesondere die Kristallisationsausprägung. Des Weiteren sind grundlegende Mechanismen und bestimmende Faktoren der Kristallisationsausprägung sowie deren Auswirkungen auf das makroskopische Materialverhalten nur teilweise bekannt und verstanden. Dementsprechend ist eine Steuerung der Kristallisation in Bezug auf eine vorgegebene Kristallisationsausprägung derzeit nicht zuverlässig möglich. Dies steht einer verlässlichen und präzisen Simulation von teilkristallinen Thermoplasten entgegen und damit einer computergestützten Entwicklung und Optimierung hybrider Kunststoff-Metall-Werkstoffverbunde.Die übergeordnete Zielsetzung des Projekts besteht darin, die Kristallisationsausprägung in hybriden Strukturen sowohl aus unverstärkten als auch aus faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen (zweite Förderperiode) kombiniert mit Metallen in ihren Ursachen und Auswirkungen zu verstehen, einer Steuerung über den Fertigungsprozess zugänglich zu machen und diese Erkenntnisse in einem physikalisch basierten FEM-Stoffgesetz umzusetzen.In dem beantragten Forschungsprojekt wird die Möglichkeit der Kristallisationssteuerung an den unverstärkten thermoplastischen Kunststoffen PA 6 und PBT untersucht. Ein Teilziel ist dabei die experimentelle Charakterisierung der Kristallisationsausprägung bei unterschiedlichen, präzise definierten Herstellungsprozessen, in Abhängigkeit der Werkzeugtemperatur, der rheologischen Randbedingungen, der Werkzeugtopografie und der Werkstoffcharakteristika, durch zum Teil neu zu erforschende und umzusetzende Prüfmethoden. Ein weiteres Ziel ist die Erstellung einer Computersimulation auf Basis eines Vielteilchensystems mit selbstorganisierter Strukturbildung, zur Nachbildung der Erstarrung teilkristalliner Thermoplaste sowie der Durchführung systematischer Simulationsreihen. Diese Simulation soll in der Lage sein, die experimentell erfassbaren Eigenschaften und Zusammenhänge realitätsnah abzubilden. Auf dieser Basis eröffnet die Simulation den Zugriff auf experimentell nicht zugängliche Informationen über den Kristallisationsprozess und die Möglichkeiten seiner Beeinflussung.Ausgehend vom Stand der Technik werden vorhandene Stoffgesetze und Modelle mit Erkenntnissen aus der experimentellen makroskopischen Kunststoffcharakterisierung, der optischen Morphologieanalyse und der kalorimetrischen Kristallisationsanalyse, sowie der Kristallisationssimulation mit Hilfe des Vorhersagemodells in eine kontinuumsmechanische Darstellung übertragen und in dieser Form in das Materialmodell integriert. Die abschließende Zielstellung beschreibt die Implementierung der Ergebnisse in eine FEM Simulation, zur computergestützten Entwicklung und Optimierung thermoplastische basierter hybrider Werkstoffverbunde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Fast Scanning Calorimetry (Flash DSC)
• Gerätegruppe: 8660 Thermoanalysegeräte (DTA, DTG), Dilatometer