Zyklisch-dynamische Eigenschaften von Partikelschäumen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maik Gude; Professor Dr.-Ing. Holger Ruckdäschel, seit 2/2023
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437872031

Partikelschäume zeichnen sich aus durch eine einzigartige Kombination von geringer Dichte, hoher mechanischer Energieabsorption bei Druckbelastung, großer Gestaltungsfreiheit in der Formgebung sowie geringen Herstellungskosten. Sie sind damit für vielfältige Einsatzgebiete prädestiniert, zu denen derzeit u.a. Sportschuhe und sicherheitsrelevante Interieur-Bauteile von Fahrzeugen gehören. Durch Auswahl der Verarbeitungsparameter beim Schäumen können die Eigenschaften der Zellstruktur und damit das Verhalten der Formteile gezielt an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Nach aktuellem Stand der Forschung bestehen jedoch signifikante Unsicherheiten bezüglich der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Partikelschäumen. So sind zwar Berechnungsmethoden verfügbar, die zur Vorhersage des makroskopischen Werkstoffverhaltens bei beliebigen multiaxialen Belastungszuständen geeignet sind, jedoch werden dabei substantielle Vereinfachungen zugrunde gelegt, wie etwa die Vernachlässigung lokaler Spannungs- und Verzerrungsmaxima auf der Mesoebene des Schaums. So kommt es bei globaler Druckbelastung innerhalb der Zellstruktur lokal zu Biegung, Beulen oder Zugversagen. Das mechanische Verhalten wird zudem maßgeblich durch das eingeschlossene Zellgas und dessen Kompression beeinflusst. Werden die Formteile schwingend über einen längeren Zeitraum belastet, kommt es nach empirischen Erkenntnissen zu einem zyklischen Kriechen des Formteils. Sowohl die Interaktion zwischen Zellgas und Zellstruktur als auch die Phänomenologie des zyklischen Kriechens sind bisher nicht hinreichend aufgeklärt.Im Fokus des Vorhabens steht die experimentelle und numerische Untersuchung des mechanischen Verhaltens von Partikelschäumen unter quasi-statischer sowie zyklischer Belastung im Druckbereich. Mit Hilfe eines im Vorhaben zu entwickelnden Prüfstandes zur Durchführung von umgebungsdruckabhängigen Stauchungsversuchen sowie der Anwendung röntgentomografischer Analysen sollen die Wechselwirkungen zwischen Zellgas, Zellstruktur und Grundpolymer einerseits und den zeitabhängigen mechanischen Eigenschaften des Partikelschaums andererseits analysiert werden. Im Mittelpunkt stehen dabei die viskoelastischen Eigenschaften und das Kriechverhalten des Partikelschaums sowie die globalen und lokalen Spannungs-Stauchungs-Verläufe bei wiederholter Be- und Entlastung. Die Analyse der Zellmorphologie bildet die Grundlage für die numerische Simulation der Partikelschäume, wobei zunächst einzelne Be- und Entlastungsschritte unter Berücksichtigung der Zellstruktur, des Zellgases und der Viskoelastizität simuliert werden. Hierdurch sollen insbesondere inelastische Effekte und Instabilitäten auf lokaler Ebene detektiert und deren Auswirkung auf das globale Verhalten identifiziert werden. Die Arbeiten schaffen damit wichtige Grundlagen für ein verbessertes Materialverständnis, das für eine ressourceneffizientere und verlässlichere Auslegung von langzeitbeanspruchten Partikelschaumstrukturen notwendig ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Altstädt, bis 1/2023