Experimente, Modellierung und Parameteridentifikation bei inhomogenen Verzerrungszuständen von Kunststoffen mit induzierter Anisotropie

Das Projekt behandelt die experimentelle Charakterisierung, Modellierung und Parameteridentifikation von Folien aus Polycarbonat (PC), die durch Kaltumformung eine sogenannte „Eigenverstärkung“ erhalten. Der ursprünglich isotrope Werkstoff erfährt dabei eine dehnungsinduzierte Anisotropie. Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit lassen sich also je nach gewünschter Belastungsrichtung gezielt einstellen, was auch beim Kaltumformen von Kunststoffen ausgenutzt wird. Das Ziel ist, die mechanischen dreidimensionalen Eigenschaften experimentell umfassend zu charakterisieren und auf dieser Basis ein eigenes Modell, welches die dehnungsinduzierte Anisotropie im Kaltumformvorgang beherrscht, zu verbessern. Die Grundkenntnisse zur Kaltumformung von Polymeren, z.B. bei der Herstellung gereckter und somit eigenverstärkter Flachfolien, werden somit durch das in diesem Projekt erlangte Wissen erweitert.

Der experimentelle Teil befasst sich mit der Erweiterung von Eigenentwicklungen in Dammann, Caylak, Mahnken (2014) für Zugstäbe und Folien aus PC. Mittels „sequentieller biaxial-Belastung“ erfolgt die Untersuchung zur induzierten Anisotropie. Mit Hilfe von optischer Messung werden die hochgradig inhomogenen Verzerrungsfelder ermittelt. Weitere Ziele sind die Untersuchung des lokalen Materialverhaltens und des kompressiblen Fließens. Hierzu zeigt der Vergleich zweier voneinander unabhängiger Methoden zur Ermittlung der Volumendehnung in Vorversuchen vielversprechende Ergebnisse. Wesentlich sind auch Untersuchungen zur Ver- und Entfestigung, da sich in Voruntersuchungen abgezeichnet hat, dass die global beobachtete Entfestigung sich lokal kaum noch wiederfindet. Die Charakterisierung findet für verschiedene globale Streckraten statt.

Die Materialmodellierung befasst sich mit der Erweiterung von Eigenentwicklungen zur dehnungsinduzierten Anisotropie in Mahnken, Dammann (2014). Dazu wird ein Strukturtensor, der sich mit der Belastung entwickelt, genutzt, um einen sogenannten Belastungswinkel zu bestimmen. Die Anisotropie wird mittels Wichtungsfunktionen in Abhängigkeit des Winkels beschrieben. Wesentliche Ziele des Projektes sind die Regularisierung mittels eines Gradiententerms, um Netzabhängigkeiten zu vermeiden und die Einführung einer volumetrischen Fließfunktion in das vorhandene Modell. Dazu fließen neue Erkenntnisse aus den Experimenten ein, die sich bereits in Voruntersuchungen angedeutet haben und sich so in bisherigen Modellen nicht wiederfinden. Abschließend findet eine Parameteridentifikation statt. Dazu werden außer „homogenisierten“ Spannungs- Streckungs-Kurven auch inhomogene Verschiebungsdaten verwendet, um den Regularisierungsparameter mit einer inversen Finite Elemente Methode zu identifizieren. Mit den erhaltenen Materialparametern werden Kaltumformprozesse, wie z.B. das Kaltrecken von Folien, simuliert.