Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Elastomerwerkstoffe und deren Verhalten im hochfrequenten Spektrum
Zielsetzung
Die Mobilität der Zukunft stellt Automobilhersteller und deren Zulieferer vor große Herausforderungen. Eine dieser Herausforderungen ist die Ermittlung der korrekten Anforderungen an batterieelektrische Fahrzeuge und deren Komponenten für die Wahl der passenden Werkstoffe. Die Wahl des richtigen Werkstoffs ist entscheidend für die Funktionsfähigkeit der eingesetzten Bauteile. Elastomere sind als schwingungsdämpfende und Isolationskomponenten allgegenwärtig im Fahrzeugbau. Hierzu gehören Lagerelemente für den Chassisbereich und Antriebsstrang, Lagerungen für die Batteriepakete und Nebenaggregate sowie elektrische Isolation und Tilgerelemente, die den Fahrkomfort ermöglichen.
Im Zuge der Elektrifizierung der Fahrzeuge werden die Eigenschaftsprofile der Elastomerwerkstoffe neu bewertet. Neben den Anforderungen an Temperatur- und Medienbeständigkeit, Lebensdauer und mechanische Belastungen, kommen Anforderungen an zusätzliche physikalische Eigenschaften wie das Hochfrequenzverhalten hinzu. Das Verhalten unter hochfrequenter Anregung wird durch die dynamische Versteifung, Dämpfung und Hysterese der Elastomere beschrieben. Die Anregungsfrequenz bewegt sich dabei zwischen 50 und 3000 Hz. In diesem Frequenzspektrum existierten bisweilen wenig gesicherte Erkenntnisse über das Materialverhalten.
Neben der Geometrie der Elastomerbauteile spielen die Zusammensetzung der Elastomermischung eine entscheidende Rolle im hochfrequenten Bereich. Die Auswahl der Elastomermischungsbestandteile, wie die Kautschuke, die Füllstoffe, die Weichmacher, die Vernetzer und Verarbeitungshilfen, trägt zur Entstehung, Verschiebung und Reduktion von Resonanzen bei.
Mit diesem Verbundprojekt wird ein grundlegendes Verständnis der Zusammenhänge des Rezepturaufbaus mit dem Hochfrequenzverhalten für eine gezielte, digitale Bauteilauslegung geschaffen. Damit lassen sich die Eigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen in der Entwurfsphase früher und präziser vorhersagen. Ziel ist es, insbesondere physikalische Eigenschaften der Elastomermischungen im Hinblick auf Füllstoff-Füllstoff-Wechselwirkungen und damit verbundener Verhärtung im niedrigen Amplitudenbereich (Payne-Effekt) zu untersuchen und modellbasierte Optimierungsansätze zu liefern, um Resonanzpeaks gezielt zu unterdrücken oder zu verschieben. Ein weiterer Einflussfaktor auf das Frequenzverhalten ist der Mischprozess und die damit verbundene Füllstoffverteilung in der Elastomermatrix. Auch dieser Einflussfaktor soll im Rahmen des Projekts gezielt adressiert werden. Zum Schluss soll der Einfluss der Vulkanisationsparameter auf die Elastomermischung und das damit einhergehende Hochfrequenzverhalten untersucht werden. Damit soll es den Projektteilnehmern ermöglicht werden, durch geschickte Auswahl der Rezepturbestandteile, den optimalen Mischprozess und den zu der Rezeptur passenden Verarbeitungsbedingungen geeignete Elastomermischungen für die Konzipierung von Bauteilen im hochfrequenten Einsatzbereich zu identifizieren. Zudem soll das Projekt den Rohstofflieferanten im Elastomerbereich Anregungen geben, neue Rohstoffe für die stetig wachsende Nachfrage im Zukunftsmobilität Sektor zu platzieren und gegebenenfalls Neuentwicklungen für den Sektor anzustoßen.
Schwerpunkte und Vorgehen
Der Schwerpunkt des Verbundprojekts liegt in der Identifikation verschiedener Faktoren, die das Hochfrequenzverhalten von Elastomeren beeinflussen und deren Abbildung in virtuelle Materialmodelle. Dabei sollen zum einen die Zusammenhänge der einzelnen Faktoren Rezepturaufbau, Mischprozess und Vulkanisation mit den Eigenschaften insbesondere dem Frequenzverhalten aufgezeigt werden. Zum anderen sollen gemeinsam mit den Projektpartnern diese Faktoren und deren Einfluss gewichtet und anhand von gezielten Versuchsreihen bewertet werden. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Füllstoff- Füllstoff-Wechselwirkung. Für die Charakterisierung von Elastomerproben und Bauteilen steht am LBF eine hochdynamische Prüfmaschine zur Verfügung. Im Frequenzbereich von 50 bis 3000 Hz können damit Parameter wie die dynamische Steifigkeit und der Verlustwinkel bestimmt werden. Dabei sind auch verschiedene Vorlasten und Temperaturen möglich.
Folgende Arbeitspakete sollen adressiert werden:
Ermittlung des Anforderungsprofils in enger Abstimmung mit den Projektteilnehmern
- Recherche zum Stand der Technik zur Ermittlung des Verhaltens der Elastomere und der Materialmodellierung für die Simulation und Entwurfsbewertung von Bauteilen unter hochfrequenter, mechanischer Beanspruchung
- Definition der Anforderungsprofile der Projektteilnehmer und Clusterung hinsichtlich typischer Anforderungen
- Definition der Probekörpergeometrie zur Messung von hochfrequenten Verhalten der hergestellten Elastomermischungen
Materialherstellung und Charakterisierung
- Ermittlung von dynamischen Eigenschaften wie kd/ks und Resonanzpeaks in Abhängigkeit der mechanischen Beanspruchungsamplitude und der Temperatur
- Ermittlung der Einflussfaktoren auf das Hochfrequenzverhalten aus dem Blickwinkel ausgewählter Modellrezepturen (Kautschukbasis, Füllstoffe, Kupplungsagentien, Weichmacher, Vernetzungssysteme) mit dem Fokus auf Füllstoff-Füllstoff Wechselwirkungen
- Ermittlung des Einflusses von Mischparametern im Innenmischer auf das Hochfrequenzverhalten ausgewählter Compounds (Anzahl der Stufen, Temperatur beim Mischprozess, Füllgrad im Innenmischer)
- Ermittlung des Einflusses von Vulkanisationsparameter auf das Hochfrequenzverhalten ausgewählter Compounds im Compression-Molding Verfahren (Temperatur und Zeit)
Simulation und Modellierung im Hochfrequenten Bereich
- Implementierung parametrischer Materialmodelle und Regressionsmethoden für die Bestimmung der frequenzabhängigen Materialparameter aus Messdaten
- Virtuelle Modellierung geeigneter Probekörpergeometrien und Herstellung eines ausgewählten Probekörpers zur Messung von Hochfrequenzverhalten im Bereich 50 bis 3000 Hz
- Verifikation der auf frequenzabhängigen Materialparametern beruhenden virtuellen Bauteilmodelle
Auf Basis der Ergebnisse werden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zusammenfassend abgeleitet, mit dem Ziel den Einfluss des Rezepturaufbaus auf das Hochfrequenzverhalten mechanistisch besser zu verstehen. Das Verständnis wird als parametrisches optimierbares Materialmodell implementiert, welches in gängigen Finite-Elemente-Simulationen verwendet werden kann. Daraus sollen sich konkrete Handlungsempfehlungen für den bestmöglichen Rezepturaufbau für den Einsatz im jeweiligen Frequenzspektrum ergeben.