Ursachen, Reproduzierbarkeit und Modellierung von Größeneffekten im mechanischen Verhalten von Schaumwerkstoffen

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Geralf Hütter
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564561295

Schaumwerkstoffe zeichnen sich durch eine hohe massebezogene Steifigkeit, Festigkeit und Energieabsorptionsfähigkeit aus und werden daher für zahlreiche Anwendungen eingesetzt. In vielen dieser Strukturanwendungen umfasst die Dicke der Schaumwerkstoffe nur eine geringe Anzahl von Porenlagen. Werden an Proben dieser Dicke effektive mechanische Eigenschaften gemessen, hängen diese allerdings, im Gegensatz zu den meisten kompakten Materialien, deutlich von der Probengröße ab und weisen eine hohe Streuung auf. Obwohl das Vorhandensein eines derartigen Größeneffekts bei Schaummaterialien grundsätzlich bekannt ist, liegen in der Literatur nur wenige experimentelle Studien dazu vor. Während einige davon einen positiven Größeneffekt („kleiner ist steifer“) berichten, weisen andere unter vergleichbaren Beanspruchungsbedingungen einen negativen Größeneffekt („kleiner ist weicher“) aus. Als Schwierigkeiten bei den Versuchen erwies sich dabei neben der Probenfertigung eine störungsfreie Einspannung/Lagerung und Lasteinleitung sowie die große Streuung der Ergebnisse an kleinen Proben. Ziel des Vorhabens ist es, die bestehende Lücke im Kenntnisstand über die für Strukturanwendungen von Schaumwerkstoffen äußerst relevanten Größeneffekte im Deformationsverhalten hinsichtlich Art (positiv/negativ) und Umfang dieser Größeneffekte sowie deren strukturelle Ursachen zu schließen. Zu diesem Zweck werden Versuche mit Proben einer großen Spannbreite an Größen durchgeführt. Um die Einflüsse der Lasteinleitung und Probenfertigung zu quantifizieren, werden zudem an direkt aus computertomographischen Aufnahmen zerstörungsfrei zugeschnittenen Proben die Versuche virtuell wiederholt. Die Berücksichtigung einer großen Anzahl von Einzelproben über eine große Bandbreite von Probengrößen erlaubt statistisch abgesicherte Aussagen zur Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der wenigen bisher vorhandenen experimentellen Studien. Um ein möglichst breites Anwendungsfeld abzudecken und generalisierbare Schlüsse qualitativer und quantitativer Natur abzuleiten, werden dabei mehrere Schaumwerkstoffe mit verschiedenen Topologien und aus verschiedenen Grundmaterialien untersucht. Simulationen mit synthetischen Mesostrukturmodellen und verschiedenem Detaillierungsgrad sowie generalisierten Kontinuumstheorien werden durchgeführt um zu überprüfen, inwiefern diese Modelle in der Lage sind, die Größeneffekte unter den verschiedenen Belastungsbedingungen vorherzusagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Martin Abendroth; Professor Björn Kiefer, Ph.D.