Charakterisierung des zyklisch-dynamischen Lastverhaltens spritzgegossener Integral-schaumstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Peter Heim
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411667746

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt werden die Parameter des Thermoplast-Schaumspritzgussverfahrens variiert, um unterschiedliche Schaummorphologien zu erzeugen. Mit einem multiplen linearen und nichtlinearen Regressionsmodell werden anschließend die signifikanten Strukturmerkmale für eine Vorhersage der quasistatischen und zyklisch dynamischen Biege- und Zugeigenschaften ermittelt. Nach dem angenommenen Modell erweisen sich Zellabstand, Homogenität, Sphärizität und Zelldichte als die Variablen, mit denen sich die Veränderung der Biegefestigkeit am besten erklären lässt. Die Ergebnisse zeigen, dass für die Entstehung eines Risses bei einer größeren Zellstruktur und einem größeren Abstand zwischen den Zellen eine höhere Spannung erforderlich ist. Zelldurchmesser, Sphärizität der Zellen und Homogenität der Zellgrößenverteilung sind die Variablen, die sich am besten zur Vorhersage der Reaktion des Biegemoduls eignen. Die Proben mit einem kleineren Zelldurchmesser brechen eher plötzlich, spröde und linear. Andererseits führt ein größerer Zelldurchmesser in Kombination mit einem größeren Zellabstand zu einer besseren Vernetzung der Trennflächen zwischen Zellen und Matrix und zur Ableitung der erzeugten Wärme in der Schaumstruktur und damit zu einem duktileren Bruchverhalten. Die mittels digitaler Bildkorrelation erzeugten Vollfeld-Dehnungsverläufe der einzelnen Morphologiemuster zeigten, dass die stark lokalisierte Dehnungsverteilung bei quasistatischer Zugbelastung jenseits der Streckgrenze inhomogener wird und sich die Spannung um lokalisierte Subregionen konzentriert. Unterschiede in der Homogenität der Zellgrößenverteilung sowie im Abstand zwischen den Zellen führen zu Unterschieden in den lokalisierten Bereichen mit hoher Dehnung. Der Grund dafür ist, dass die Heterogenität der Morphologie eine unterschiedliche Dehnung der Zellwände zur Folge hat, wobei sich größere Zellen dehnen und kleinere Zellen die Dehnung begrenzen, was zu einer größeren lokalen Verformung führt. Darüber hinaus werden die Schaumstoffmorphologien im zyklisch-dynamischen Zug-Ermüdungsversuch charakterisiert, um den Einfluss der einzelnen Morphologiemuster auf die daraus resultierende Ermüdungslebensdauer (Zyklenzahl), die kumulative Verlustarbeit und den dynamischen Modul darzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Vergrößerung des durchschnittlichen Zellabstands zu einer Abnahme der kumulierten Verlustarbeit führt. Die Abnahmerate ist anfangs hoch und bleibt nach einer gewissen Erhöhung des Zellabstands relativ konstant. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass eine höhere Zelldichte mit geringerem Abstand zwischen den Zellen die Energieabsorption erhöht. Außerdem wurde festgestellt, dass die Lebensdauer des Produkts mit einer 50 %-igen Verringerung der Dichte durch eine größere Zellstruktur verlängert werden kann. Dieses Phänomen wurde auch mit digitaler Bildkorrelation unter zyklischer-dynamischer Zugbelastung untersucht, und es wurde festgestellt, dass die Proben mit großen Zellen innerhalb der Morphologie einen hohen Widerstand gegen eine weitere Rissausbreitung aufweisen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Findings of Research and Development. Foammelt - Success with low pressure. Virtual, ENGEL Firma, Austria, November 2021
  Güzel, K. & Heim,H.-P.
  
• The Effect of Injection Molding Parameters on Microcellular Foam Morphology. In SPE-Foams
  Güzel, K. & Heim, H.-P.
  
• The Effect of Injection Molding Parameters on Microcellular Foam Morphology. SPE FOAMS. Virtual, 13-16 September 2021
  Güzel, K. & Heim, H.
  
• Determination of In-situ Experimental Mechanical Properties of Injection Molded Thermoplastic Foam Structures. DGM 7th CellMAT. Dresden, Germany, 12-14. November.2022
  Güzel, K.; Zarges, J. & Heim, H.
  
• Effect of Cell Morphology on Flexural Behavior of Injection-Molded Microcellular Polycarbonate. Materials, 15(10), 3634.
  Güzel, Kübra; Zarges, Jan-Christoph & Heim, Hans-Peter
  
• In-situ Visualization of the Influence of Morphological Properties on the Mechanical Deformation Behavior of Physically Foamed Polycarbonate. 37th PPS, Japan, April 2022
  Güzel, K.; Zarges, J. & Heim, H.
  
• Effects of the Cellular Morphology on Fatigue Deformation Mechanisms of Physically Foamed Polycarbonate, SPE Foams, Taipei, Taiwan, 19-20 October 2023
  Güzel, K.; Zarges, J.-C. & Heim, H.-P.
  
• Effects of the Cellular Morphology on Fatigue Deformation Mechanisms of Physically Foamed Polycarbonate. In SPE-Foams, 2023
  Güzel, K.; Zarges, J.-C. & Heim, H.-P.
  
• In-situ full-field deformation analysis of injection-molded microcellular polycarbonate according to foam morphology patterns. Polymer Testing, 124, 108102.
  Güzel, Kübra; Zarges, Jan-Christoph & Heim, Hans-Peter
  
• Potentiale des maschinellen Lernens in der Kunststoffverarbeitung, Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK), 2023
  Volke, J.; Klute, M.; Güzel, K. & Reit, M.