Entwicklung eines Homogenisierungsansatzes zur Beschreibung des mechanischen Deformationsverhaltens von thermoplastischen Vulkanisaten unter Berücksichtigung der verarbeitungsbedingten Anisotropie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448100263

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Aufgrund regulatorischer Maßnahmen, die den erhöhten Einsatz recyclingfähiger Werkstoffe sowie deren tatsächlicher Wiederverwertung vorschreiben, steigt das Interesse, Elastomere durch thermoplastische Elastomere (TPE) zu ersetzen. Thermoplastische Vulkanisate (TPV) sind eine Unterklasse der TPE bestehend aus einer thermoplastischen Matrix und chemisch vernetzt vorliegenden elastomeren Einschlüssen. Sie besitzen aufgrund ihrer mehrphasigen Struktur die herausragenden gummielastischen Eigenschaften von Elastomeren in Kombination mit der effizienten Verarbeitbarkeit und Rezyklierbarkeit von Thermoplasten. Folglich werden immer mehr Elastomerbauteile durch TPV ersetzt. Bei der Auslegung von Strukturbauteilen aus TPV ergeben sich neue Herausforderungen, wie die fertigungsbedingte Anisotropie des Werkstoffs. Die Anisotropie resultiert aus einer geometrischen Verzerrung der Elastomerpartikel im TPV aufgrund der hohen Schergeschwindigkeiten und Temperaturgradienten im Spritzgießprozess. Analog zu kurzfaserverstärkten Kunststoffen bildet sich eine 3-Schichtstruktur aus. Die resultierende Vorzugsrichtung führt zu einer Differenz in der Steifigkeit von bis zu 50 % in Abhängigkeit der Entnahmeorientierung. Um die Wirkzusammenhänge zwischen Verzerrungsgrad und mechanischer Werkstoffantwort zu untersuchen, wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens mikromechanische Modelle in Form von repräsentativen Volumenelementen (RVE) genutzt, die die geometrische Konfiguration des Werkstoffs abbilden können. Dabei wurden zunächst einfache Einheitszellengeometrien und anschließend statistische RVE erzeugt und analysiert. Zur Generierung der Strukturen wurde ein Algorithmus entwickelt, der RVE mit ausreichend hohem Elastomeranteil sowie hohen Verzerrungen erzeugen kann. Zudem wurde ein effizienter Kalibrierungsansatz entwickelt, um Werkstoffkennwerte für die Einzelphasen aus makroskopischen Versuchen unabhängig von dem Verzerrungsgrad zu ermitteln. Es wurden Parameterstudien durchgeführt, um Erkenntnisse für ein analytisches, anisotropes Werkstoffmodell zur effizienten Modellierung von TPV zu ermitteln. Abschließend wurde ein analytisches Werkstoffmodell entwickelt, welches den Einfluss der fertigungsbedingten Phasenmorphologie (PM) berücksichtigt und die daraus resultierende mechanische Anisotropie basierend auf einem molekularstatistischen Homogenisierungsansatz abbilden kann. Das im Rahmen des Projektes entwickelte Modell kann langfristig genutzt werden, um das Bauteilverhalten von TPV-Strukturbauteilen unter Berücksichtigung der fertigungsbedingten Anisotropie in einer integrativen Simulationskette zu berechnen. Die Vorhersage von Verzerrungsgrad in der Spritzgießsimulation ist bisher noch nicht möglich.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Micromechanical modelling of TPV. Nürnberg. DKT IRC 2021, Poster, 01. – 04.07.2021
  Mentges, N. & Hopmann, C.
  
• Effects of the injection molding processing settings on the phase morphology and mechanical anisotropy of thermoplastic vulcanizates. Polymer Engineering & Science, 64(1), 154-169.
  Mentges, Noah; Çelik, Hakan; Dahlmann, Rainer & Hopmann, Christian
  
• Modelling the effects of process induced phase morphology on the mechanical response of thermoplastic vulcanisates under quasi-static loading using representative volume elements, International Rubber Conference Organisation (IRCO) (Hrsg.), IRC RubberCon, Edinburgh, UK, 2023
  MENTGES, N.; ÇELIK, H.; DAHLMANN, R. & HOPMANN, C.
  
• Reverse engineering calibration method of constituents properties for multi-scale simulations of injection moulded thermoplastic vulcanisate parts, Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) (Hrsg.), Proceedings of the 32nd international Colloquium Plastics Technology, Düren, Shaker Verlag, 2024, S. 163–173
  MENTGES, N.; ÇELIK, H.; DAHLMANN, R. & HOPMANN, C.
  
• An anisotropic hyperelastic-plastic material model for the process-related material response of TPV, SPE (Hrsg.), ANTEC 2025, Philadelphia, PE, USA, 2025
  MENTGES, N.; ÇELIK, H.; ERDOĞDU, Y. E.; ZEKORN, C.; DAHLMANN, R. & HOPMANN, C.