Elastomere und FEM: Erstellung der werkstoffgerechten Materialkarten

Zielsetzung

Elastomere finden breite Anwendung im Maschinenbau, in der Medizintechnik sowie bei Sport- und Haushaltsgeräten. Sie werden für ihre Eigenschaften wie Hyperelastizität, Dichtungsfähigkeit, Reibungsresistenz, Schwingungs- und Dämpfungsisolation in Dichtungen, Kupplungen, Bälgen und Lagerungen eingesetzt.

Moderne Anwendungen legen besondere Herausforderungen an die Materialwahl. Zuverlässigkeit im Design von Elastomerbauteilen ergibt sich aus dem Fitting der Modelle für die Finite-Elemente-Methode (FEM) mit aussagekräftigen Materialdaten.

FEM stellt mehrere Modelle zur Verfügung, die das Materialverhalten von Elastomeren in unterschiedlicher Güte abbilden können. Ingenieure stehen dabei vor zwei wesentlichen Herausforderungen:

• ein passendes Modell für den vorgesehenen Einsatz auszuwählen und
• adäquate Versuche zur Parametrierung des Modells durchzuführen.

An diesem Punkt setzt das Projekt an. Die Ziele sind

• Den Stand der Technik anhand vorhandener Normen und wissenschaftlicher Veröffentlichungen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Studie sollen die wesentlichen Empfehlungen zur Charakterisierung von Elastomeren evaluiert und Herausforderungen in der Anwendung erfasst werden.
• Ergänzt wird dies durch eine Übersicht über zur Verfügung stehenden Materialmodelle, die in kommerziellen FEM-codes implementiert sind.
• Geplante Erstellung einer zuverlässigen Methode mit Berücksichtigung der kundenspezifischen Anforderungen (Belastungsgeschwindigkeit, Temperatur, Umgebung usw.) für eine effektive und kostengünstige Modellierung für Elastomere.
• Durchführung der notwendigen Versuche anhand der vorgeschlagenen Methode und die Bereitstellung der Materialkarten für den Projektpartner.
• Dies führt bestenfalls zu einer gezielten Reduktion der Kosten im Produktentwicklungsprozess.

Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die Charakterisierung der Mehrachsigkeitseffekte gelegt, die beispielsweise bei Dichtungen, Membranen und Reifen auftreten können. Diese Effekte haben wesentlichen Einfluss auf das Materialverhalten und hieraus abgeleitete Materialparameter sind essenziell für die Abbildungsgüte der FE-Modelle. Hier liefern 1D- und 2D-Versuche an Elastomeren Eckdaten für die materialgerechte Bauteilauslegung.

Bekannte Haken in der Versuchsdurchführung sind u.a. die Einflüsse aus der Einspannung auf das Materialverhalten im uniaxialen Zugversuch, dem biaxialen Zugversuch (Aufblastest) und bei reiner Scherung (Planarzug). Hierzu werden Empfehlungen zur Versuchsdurchführung und Optimierung von Einspannungen erarbeitet und klare und eindeutige Vorschriften realisiert.

Die erarbeitete Methode soll ein wichtiges Werkzeug für die Definition einer optimierten Auslegungsstrategie für Elastomerbauteile darstellen.

Schwerpunkte und Vorgehen

Bauteile aus Elastomeren übertragen mehraxiale Belastungen. Wenn die Materialmodelle, die ausschließlich aus den Daten des 1D-Zugversuchs gefittet sind, für die Auslegung eingesetzt werden, liefern diese nur grobe Abschätzung des Bauteilverhaltens. Obwohl die Parametrisierung mit den Daten des Zugversuchs unkompliziert erfolgt, liegen die Vorhersagen bei anwendungsrelevanten Lastfällen häufig weit ab vom realen Bauteilverhalten.

Der Schwerpunkt des Projekts ist daher auf eine systematische Erfassung der Materialmodelle und Prüfvorschriften gerichtet, mit denen es möglich ist, mehrachsiges Verhalten adäquat abzubilden.

Um dies zu erreichen, erfolgt einleitend eine Recherche, deren Ergebnisse durch unsere Verbesserungsvorschläge für die Prüfungsdurchführung ergänzt werden. Bekannte Probleme in den Einspannungen für relevante Versuche werden konstruktiv reduziert. Es werden Empfehlungen zur Versuchsdurchführung erarbeitet und klare und eindeutige Vorschriften abgeleitet. Die erforderlichen Vorrichtungen werden aufgebaut. Die Probengeometrien werden auf der Basis des vorhandenen Materials oder Halbzeugs angepasst.

In Absprache mit den Teilnehmern werden drei Elastomere mechanisch charakterisiert. Hierzu werden die drei wichtigsten Versuche

• uniaxialer Zug,
• 2D-Zug (Aufblasversuch) und
• reine Scherung (Planarzug)

aufeinander abgestimmt. Die Dehnungserfassung erfolgt dabei über 3D-DIC (digital image correlation). 

Die Untersuchungen erfolgen unter definierten Temperatur- und Umgebungsbedingungen (Dabei kommen Temperaturen von -40 bis 140°C in Betracht). In Bezug auf Anwendung können die Proben auch in aggressiven Flüssigkeiten oder Ölen vorkonditioniert werden.

Die Daten aus den Versuchen werden geglättet und anschließend mit Materialmodellen gefittet, welche in die FEM-Simulation (Ansys) integriert sind. Dadurch ergibt sich die Generalisierung der Messergebnisse an beliebige Spannungszustände. Die Abweichungen in Modellen werden diskutiert. Bestpassende Modelle für die vorausgesetzte Anwendung mit den entsprechenden Materialkarten werden bereitgestellt. Die Verbesserung der Modellierung im Vergleich zur Materialbeschreibung auf der Basis des uniaxialen Zugversuchs wird in Diagrammen veranschaulicht.

Zusammengefasst gliedert sich das Vorhaben somit in folgende Arbeitsinhalte:

1. Überblick der Prüfnormen und Vorschriften und Auswahl der geeigneten Einstellungen,
2. Vertiefte Literaturrecherche und Systematisierung der Methoden,
3. Angepasste Geometrie der Probekörper,
4. Konstruktive Optimierung von Prüfaufbauten,
5. Durchführung von mechanischen Versuchen,
6. Auswertung der Versuche,
7. Fitting der Modelle und Erstellung der Materialkarten für empfohlene FEM-Modelle,
8. Vergleich der Auswertungen und Empfehlungen.

Ergebnis des Projekts soll eine direkte Handlungsempfehlung für den Berechnungsingenieur sein. Hierbei sollen Wege für eine effektive, wirtschaftliche, aber dennoch zuverlässige Modellierung für Elastomere in kommerziellen FE-codes aufgezeigt werden. Die erarbeitete Handlungsempfehlung kann dann ein wichtiges Werkzeug für eine optimierte Auslegungsstrategie für Elastomerbauteile darstellen. Bestenfalls lassen sich die Materialkarten, die mit der vorgeschlagenen Methode erstellt werden, direkt für die Auslegung der kritischen Bauteile einsetzen. So können optimaler Weise Kosten im Produktentwicklungsprozess gezielt reduziert und Materialien anwendungsspezifisch qualifiziert werden.

Projektpartner, die durch die Ergebnisse des vorgestellten Projektes ihr Know-how aufbauen, können sich einen deutlichen Kenntnisvorsprung verschaffen und zu einem gefragten Entwicklungspartner wachsen.