31.10.2017 Modellierung der mechanischen Eigenschaften von Elastomeren

Unter Berücksichtigung inhomogener Vernetzungszustände

von Professor Dr. Christian Hopmann (RWTH Aachen – Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV)), M. Sc. C. Zimmermann (RWTH Aachen – Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV))

Bei der Herstellung von dickwandigen Elastomerbauteilen entsteht aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Elastomere ein lokal unterschiedlicher Vernetzungsgrad. Da der Vernetzungsgrad die mechanischen Elastomereigenschaften beeinflusst, muss diese Abhängigkeit in der FEM-Simulation berücksichtigt werden. Am Beispiel einer praxisnahen HNBR-Mischung wurde eine integrative Simulationskette bestehend aus einer Prozess- und Struktursimulation entwickelt, die dies ermöglicht. Dafür wurde u.a. ein allgemein verfügbares und bestehendes hyperelastisches Materialmodell um den Einfluss des Vernetzungsgrades erweitert. Die Validierung der Simulationskette erfolgte anhand eines dickwandigen Hantelprobekörpers und zeigt eine wesentlich bessere Abbildbarkeit des mechanischen Bauteilverhaltens bei geringer vernetzten Proben als über die konventionellen Materialmodelle für homogen und vollvernetzter Probekörper.

Im Entwicklungsprozess von Elastomerbauteilen hat sich mittlerweile die FiniteElemente-Methode (FEM) als Werkzeug zur Auslegung etabliert, um das Bauteilverhalten vorherzusagen. Für eine möglichst genaue Vorhersage des Werkstoffverhaltens ist jedoch die Modellierung des Werkstoffverhaltens von zentraler Bedeutung. Die gegenwärtig implementierten Materialmodelle gehen von einem räumlich homogen vernetzten Bauteil aus, wodurch auftretende Inhomogenitäten nicht berücksichtigt werden [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Elastomerbauteile sind im Wesentlichen dickwandige Produkte, wie Motorlager, Gelenkscheiben oder Pufferelemente, die im Spritzgieß- oder Transfer-Moulding-Prozess hergestellt werden [7]. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Elastomere stellt sich bei der Vulkanisation ein inhomogenes Temperaturfeld über der Bauteildicke ein. Da die Vernetzungsgeschwindigkeit stark von der Temperatur abhängt, stellt sich folglich ein lokal unterschiedlicher
Vernetzungsgrad als Funktion der Zeit ein. Der Einfluss des Vernetzungsgrads auf die mechanischen Eigenschaften ist bereits bekannt [7], bislang besteht aber keine Methodik, die die resultierenden Produkteigenschaften im Entwicklungsprozess vorhersagen kann. Folglich ist die Entwicklung von Materialmodellen notwendig, die Inhomogenitäten im Vernetzungsgrad berücksichtigen und somit ein präziseres Bauteilverhalten sowie eine bessere Auslegung und Optimierung ermöglichen.