Einfluss der Materialschichtdicken auf die mechanischen Eigenschaften und das Umformverhalten von dreischichtigen Sandwichverbundwerkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war die Untersuchung von dünnen Sandwichbauteilen bestehend aus Stahldeckschichten und einer Polymerkernschicht bestehend aus einem Polyethylen/Polypropylen Copolymer. Hierbei lag im Vordergrund die Herstellung, die Untersuchung der Umformbarkeit sowie deren Modellierung mit Hilfe numerischer Simulationen unter Verwendung der Methode der finiten Elemente. Zunächst wurden die Materialien mit einaxialen Zugversuchen unter verschiedenen Prozessführungen analysiert, um damit Materialmodelle anzupassen, welche dann für die Finite-Elemente Berechnungen erforderlich sind. Die PP/PE Folien sind darüber hinaus auch bei unterschiedlichen Temperaturen sowie Scher- und Biaxialversuchen untersucht worden. Damit liegen aufwändige Testergebnisse für Zug-, Scherung und biaxialen Deformationen vor. Neben der erforderlichen Charakterisierung der Monowerkstoffe wurden gleichfalls die Sandwiche in verschiedenen Konfigurationen und Dickenverhältnisse hergestellt, untersucht und klassiert. Die Haftfestigkeit wurde unter Berücksichtigung verschiedener Oberflächeneigenschaften und -behandlungen geprüft und bewertet. Zur Erzielung maximaler Haftfestigkeiten wurde die optimale Vorgehensweise zur Herstellung der Sandwiche angewandt. Ebenso wurde die Alterungsbeständigkeit dieser Verbunde ermittelt, um eine Aussage über ihre Langzeitstabilität zu erhalten. So kann festgehalten werden, dass es keine Schwächungen durch Temperatur- und/oder Witterungseinflüsse im untersuchten Zeitraum gibt. Umformvorgänge wie Tiefziehen und Biegen wurden durchgeführt und mündeten in Empfehlungen für die Anwendung derartiger Verbunde bei unterschiedlichen Material- und Schichtdickenkombinationen. Da insbesondere das untersuchte Polymer zu lokalen Deformationen neigt, deren Ursache in den ungleichmäßig verteilten Zusatzstoffen vermutet wird, mussten bildgebende Verfahren für die Oberflächendeformation der Proben herangezogen werden, um daraus Materialmodellierungskonzepte zu verfolgen. Die verwendeten Bildkorrelationsverfahren erfordern die Dehnungsanalyse in Flächen, da keine Information über Dickenänderung vorliegt, deren analytische Behandlung für beliebig gekrümmte Bauteile vorangetrieben wurde. Damit sind nunmehr auch Fehler und Unsicherheitsanalysen der Dehnungsmessung möglich. Neben diesen für die Praxis relevanten Ergebnisse der Dehnungsanalyse ist ein großer Erkenntnisgewinn im Bereich der Materialparameteridentifikation unter Verwendung von Feldmessdaten und der Methode der finiten Elemente entstanden. Insbesondere der Zusammenhang zwischen den in den ingenieurwissenschaftlichen Publikationen verfolgten Konzepten und den Methoden in der Numerischen Mathematik konnte in Einklang gebracht werden. Darüber hinaus sind ältere Konzepte der Identifizierbarkeit von Parametern auf die Festkörpermechanik übertragen worden. Für die weitere Behandlung wird die Kopplung der Parameteridentifikation unter Verwendung der FEM mit automatischen Code-Generierungsverfahren für neue Modelle systematisiert, was zukünftig zu einer erheblichen Vereinfachung der Codierung führt. Hierzu werden derzeit Implementierungsaspekte verfolgt. Diese Erkenntnisse sind dann für die Identifizierung der Materialparameter für das Modell des Stahls und des Polymers herangezogen worden, um Prognosen für das Umformverhalten der Sandwichbauteile bei Tiefziehprozessen und Biegung durchzuführen. Diese weisen eine relativ gute Vorhersagbarkeit auf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2018) Basic studies in biaxial tensile tests. GAMM-Mitteilungen 41 (1) e201800004
Hartmann, Stefan; Gilbert, Rose Rogin; Sguazzo, Carmen
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/gamm.201800004) - Sandwich Materials. In: Encyclopedia of automotive engineering. Wiley, Chichester, West Sussex, United Kingdom, 2015; S. 1–17
Palkowski, H.; O. Sokolova und A. Carradò
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9781118354179.auto163) - Experimental and numerical investigations of metal/polymer/metal laminates: thermo-mechanical and forming characteristics. In: Berichtsband Clausthaler Zentrum für Materialtechnik. Zeitraum 2013-2015. Shaker, Herzogenrath, 2016; S. 31–45
Harhash, M.; H. Palkowski; C. Sguazzo und S. Hartmann
- Metal-Polymer-Metal Laminates for Lightweight Application. Key Engineering Materials, 2016, 684; S. 323–334
Palkowski, H. und A. Carradò
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.684.323) - Forming behaviour of multilayer metal/polymer/metal systems. Dissertation, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland, 2017
Harhash, M.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.21268/20170914-120802) - Mechanical properties and forming behaviour of laminated steel/polymer sandwich systems with local inlays – Part 2. Stretching and Deep Drawing. Composite Structures, 2017, 160; S. 1081–1094
Harhash, M.; A. Carradò und H. Palkowski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.10.111) - Identifiability of material parameters in solid mechanics, Archive of Applied Mechanics 88 (1), 3 - 26, 2018
Hartmann, S., Gilbert, R. R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00419-017-1259-4) - Tensile and shear experiments using PP/PE foils at different temperatures. Technische Mechanik 38(2), 2018, 166-190
Sguazzo, C. und S. Hartmann
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.24352/UB.OVGU-2018-027) - Verification Examples for Strain and Strain-Rate Determination of Digital Image Correlation Systems. In: Advances in Mechanics of Materials and Structural Analysis. Advanced Structured Materials, Advanced Structured Materials No. 80. In honor of Reinhold Kienzler. Springer-Verlag, 2018; S. 135–174
Hartmann, S. und S. Rodriguez
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-70563-7_7)
