Finite-Elemente- und netzfreie Simulationsumgebung für die Einformung und Vulkanisation von Gummi in der industriellen Reifenproduktion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Kaliske
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491401006

In den letzten Jahren (2018-2021) wurde im Rahmen des Vorgängerprojektes SENSE intensive Grundlagenforschung zur numerischen Abbildung des Einform- und Vulkanisationsprozesses von axisymmetrischen Autoreifen durchgeführt. Im Rahmen dieses Projekts wurde vom Antragsteller Prof. Michael Kaliske am Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke (ISD) eine thermo-mechanische Simulationsumgebung für die Abbildung des Reifeneinformprozesses (unvulkanisierter und vulkanisierter Gummi) im Rahmen der Finite-Elemente-Methode (FEM) entwickelt. Der auf finiten Elementen (FE) basierende Simulationsansatz verwendet eine Arbitrary-Lagrangian-Eulerian-(ALE)-Beschreibung, um Materialpunkte während des Einformens des grünen Reifens zu verfolgen und Elementdistorsionen zu vermeiden. Darüber hinaus wurden mehrere fortschrittliche thermo-mechanisch gekoppelte Materialmodelle entwickelt, um Gummi im unvulkanisierten und vulkanisierten Zustand zu beschreiben. Das Einformen beliebiger Reifenprofile ist jedoch aufgrund der komplexen Geometrie, Reibung und des Materialflusses des unvulkanisierten Gummis während des Einformens immer noch eine Herausforderung (Fragen der numerischen Stabilität und Robustheit für realistische 3D Reifendesigns). Diese offenen Forschungsfragen sollen Gegenstand weiterer Entwicklungsschritte des Transferprojekts zwischen dem ISD und dem Industriepartner Continental Reifen Deutschland GmbH sein. Das vorgeschlagene Transferprojekt zielt darauf ab, die Stärken der akademischen Grundlagenforschung und der innovativen industriellen Fertigungsverfahren für neue Produkte in einem sich verändernden industriellen Umfeld zu kombinieren (Digitalisierung der gesamten Prozesskette). Das Transferprojekt wird daher nicht nur die im Rahmen des Projekts SENSE entwickelte Simulationsumgebung (Materialmodell für unvulkanisierten und vulkanisierten Gummi, ALE-Beschreibung für das Einformen, Austausch von industriellem Fachwissen) zur industriellen Anwendung bringen, sondern auch zur Weiterentwicklung einer alternativen numerischen Methode, der netzfreien Material-Punkt-Methode (MPM), beitragen. Weitere neue Forschungsaspekte des Transferprojekts befassen sich daher mit der Entwicklung und Anwendung der impliziten MPM als netzfreie Methode zur Simulation des Einformens von Reifen mit beliebigen 3D Reifenprofilen (MPM-Simulation), der Formulierung der MPM im Rahmen der Thermomechanik, eine Kopplung von FE-Methoden (Reifengrundkörper) mit der MPM (Reifenprofil) zur Analyse des Einform- und Vulkanisationsprozesses (Herstellungsphase) und einer Strategie, um eine Implementierung der konstitutiven Materialformulierung für die FEM, MPM oder die ALE-Beschreibung vorzuschlagen (inelastisch, nichtlinear, unvulkanisiert, vulkanisiert). Das Hauptziel ist die Entwicklung einer robusten und numerisch stabilen Simulationsumgebung für das Einformen und Vulkanisieren von Reifen mit 3D Reifenprofilen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Continental Reifen Deutschland GmbH