Einfluss der Materialschichtdicken auf die mechanischen Eigenschaften und das Umformverhalten von dreischichtigen Sandwichverbundwerkstoffen
Final Report Abstract
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.
Publications
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