Numerische und experimentelle Entwicklung von Laminaten aus auxetischen Materialien mittels Strangablegeverfahren für hochdynamische Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten; Professor Dr.-Ing. Stefan Weihe
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407085865

Auxetische Strukturen bieten völlig neue Entwicklungsmöglichkeiten für Produkte. Im vorangegangenen Projekt konnten erste Erkenntnisse über ein bisher wenig betrachtetes mechanisches Verhalten gewonnen werden. Hierbei wurden die auxetischen Strukturen quasi-statisch belastet. Eine der gewonnenen Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen ist, dass mögliche Anwendungsfelder für diese Strukturen im Bereich von sicherheitsrelevanten Bauteilen liegen könnten, die unter hochdynamischen Belastungen, wie z.B. bei einem Crash, einen Schutz vor dem Eindringen von Fremdkörpern gewährleisten sollen. Aktuelle Veröffentlichungen beschäftigen sich rein simulativ mit dem Aufprallverhalten eines Impaktors auf auxetische Strukturen. Aufgrund dessen, dass das Aufprallverhalten hochdynamisch und außerhalb eines reversiblen Verformungsprozesses abläuft, soll in diesem Projekt erstmals eine Überprüfung der allgemein gefassten Hypothese der Widerstandsfähigkeit gegen Eindringen auxetischer Strukturen stattfinden. Die auxetischen Gitterstrukturen zeichnen sich zudem durch eine Leichtbauweise aus, die sich beim Auftreffen eines Fremdkörpers schlagartig lokal stark verdichtet und so das Eindringen verhindert. Aufgrund dieser Belastungsweise ist es ausreichend, die auxetische Struktur als zweidimensionales Laminat mit unterschiedlich vielen Lagen zu betrachten. Die bisher verwendete auxetische Struktur der inversen Honigwabe soll weiterhin verwendet werden. Um nun beim Auftreffen des Impaktors neben dem Schutz vor dem Eindringen eine maximale Energieabsorption zu erreichen, die die zu schützende Struktur möglichst keiner mechanischen Belastung aussetzt, ist das Konzept im Rahmen des beantragten Projektes die inverse Honigwabenstruktur mit der verwandten „echten“ Honigwabenstruktur als Laminat zu kombinieren. Das bisher verwendete additive Herstellungsverfahren, das Strangablegeverfahren, soll auch in diesem Folgeprojekt verwendet werden, sodass das Laminat, bestehend aus Schichten sowohl mit Honigwabenstruktur als auch mit inverser Honigwabenstruktur, in einem Prozessschritt hergestellt werden kann. Das hier projektierte Forschungsvorhaben hat das Ziel, das Strangablegeverfahren (Fused Filament Fabrication, FFF) mit den Kunststoffen Polyactid (PLA) und Polybutylenadipat-Terephthalat (PBAT) zu verwenden, um Laminate herzustellen, die einen hohen Widerstand gegen das Eindringen eines Impaktors sowie ein hohes Maß an Energieabsorption besitzen. Schwerpunkt soll dabei aber insbesondere das Vorhersagen des Antwortverhaltens der zweidimensionalen Laminat-Struktur mit unterschiedlichen Anteilen an inverser Honigwabenstruktur und „echter“ Honigwabenstruktur mittels Simulation sein. Zur Vorhersage der optimalen Struktur-Eigenschaften-Beziehung soll auch ein Machine-Learning-Algorithmus eingesetzt werden, der im Rahmen des beantragten Projektes zunächst trainiert werden muss.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen