Zyklisch-dynamische Eigenschaften von Partikelschäumen (Fortsetzungsantrag)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maik Gude; Professor Dr.-Ing. Holger Ruckdäschel
• 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 Belastung, 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 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 Mikro- und der Mesoebene des Schaums. So kommt es etwa 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 multiaxialer zyklischer Belastung. Mit Hilfe einer im Vorhaben zu entwickelnden Prüfmethodik zur Durchführung von umgebungsdruckabhängigen multiaxialen Versuchen 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 Ermittlung des Zusammenhangs zwischen den mesostrukturellen Parametern und den multiaxialen Eigenschaften des Partikelschaums. Um den für die Analyse der komplexen Strukturdeskriptoren anfallenden Aufwand zu reduzieren, sollen ML-basierte Bildanalysemethoden entwickelt werden, die eine effiziente Bestimmung der Zwickelvolumina und der Partikelwandstärken erlauben. Die mechanischen Versuche zielen sowohl auf die Ermittlung der multiaxialen viskoelastischen Eigenschaften inkl. der Querkontraktionszahl als auch die Untersuchung zum Einfluss des Zellgases auf das Deformations- und Versagensverhalten bei großen multiaxialen Deformationen ab. Schließlich wird eine Modellierungs- und Simulationsmethodik zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens bei ratenabhängiger multiaxialer Be- und Entlastung entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen