Fraunhofer LBF: Verbesserte Methoden zur Versagensvorhersage von harten Schäumen

Druckkammer für hydrostatische Untersuchungen mit einer vakuumverpackten Probe. Diese ist mit Gummibändern fixiert - (Bild: Fraunhofer LBF).

Hydrostatische Zug- und Druckversuche gelten als von entscheidender Bedeutung zur Modellierung der Materialeigenschaften von harten Schäumen. Die Daten aus diesen Tests sind unerlässlich, um das Materialversagen in der Anwendung auszuschließen. Forscher am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben innovative Prüfverfahren und verbesserte Methoden für die sichere Auslegung von Hartschaumbauteilen entwickelt.

Heutzutage fehlt ein bewährtes Verfahren für multiaxiale Prüfungen von harten Schäumen. Einige Belastungsfälle sind experimentell kaum realisierbar. So sind zum Beispiel plausible Prüfvorschriften für den hydrostatischen Zugversuch nicht bekannt, und der equibiaxiale Zugversuch ist aufwendig in der Durchführung. Um diese Problematik in den Griff zu bekommen, haben die Experten des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF einen equibiaxialen und einen hydrostatischen Druckversuch aufgebaut. Die Ergebnisse dieser Versuche sind den weiteren Angaben des Fraunhofer LBF zufolge eindeutig und einfach zu interpretieren. Zusammen mit den uniaxialen Zug- und Druckversuchen sowie Torsionsversuchen würdeb diese Versuchsdaten für eine zuverlässige Modellierung und plausible Extrapolationen sorgen, die eine Abschätzung der nicht verfügbaren Daten aus dem hydrostatischen Zugversuch ermöglichen sollen.

Umschlingungstest für neue 2D-Druckuntersuchung: Die Schlaufe mit der Probe wird mit der „Brücke“ nach unten in die Backen der Prüfmaschine eingesetzt - (Bild: Fraunhofer LBF).

Neuartige 2D-Druckuntersuchungen
Die equibiaxiale Druckbelastung wird in einer konventionellen Zugprüfmaschine mit einer Kreisscheibe als Probengeometrie und einer Blechschleife zum Belastungsaufbringen realisiert. Der Aufwand sei vergleichbar mit den Standard-Zugversuchen. Der 2D-Druckversuch stellt eine effektive Methode zur ersten Abschätzung des Materialverhaltens dar. Für eine genaue Modellierung sei jedoch ein hydrostatischer Druckversuch unerlässlich.

Hydrostatische Belastungen für zuverlässige Versagensanalyse
Es sind zwei Arten des Materialverhaltens unter hydrostatischem Druck zu unterscheiden: das Versagen der Zellen und der hydrostatische Kollaps der Gesamtstruktur. Wissenschaftler des Fraunhofer LBF haben eine innovative Methode zur Prüfung des Materialverhaltens unter hydrostatischer Druckbelastung implementiert und auf mehrere polymere Hartschäume angewendet. Sie bieten Unterstützung auf jeder Ebene des Designprozesses und erzielen zuverlässige Lösungen für optimierte Strukturen.

Für eine zuverlässige Modellierung von Materialien, die unter hydrostatischem Druck versagen, wie beispielsweise harte polymere und keramische Schäume, Porenbeton, Boden, gesinterte und granulare Materialien, ist der hydrostatische Druckversuch zwingend erforderlich. Die Materialeigenschaften aus dieser Prüfung können nicht aus den Daten der Zug-, Druck- und Torsionsprüfung berechnet werden. Mögliche Extrapolationen, wie zum Beispiel auf der Basis des 2D-Druckversuchs, können nur Abschätzungen liefern und sollten für kritische Anwendungen nicht angewendet werden. Der hydrostatische (balancierte 3D-Druck) Versuch liefert die notwendigen Informationen zur Modellierung des elastischen Verhaltens und des Versagens bei mehraxialen Druckbelastungen. Die Ergebnisse des hydrostatischen Versuchs führen direkt zu den benötigten Parametern im Materialmodell, was die Anpassungsprozedur erheblich vereinfacht. Unter anderem ist der Kompressionsmodul des elastischen Verhaltens ein Ergebnis dieser Versuche.

Neue Methode für weitere Materialen geeignet
Mit der neuen Methode sollen Bauteile, die harte Schäume enthalten, zuverlässiger und kostengünstiger ausgelegt werden können. Die Methode soll erlauben, sichere Entscheidungen über die Materialwahl für bestimmte Anwendungen zu treffen. „Unerwartete Versagensfälle“ in der Anwendung sollen damit ausgeschlossen werden können. Die Methode erscheint auch für weitere Materialien wie beispielsweise keramische Schäume, Porenbeton, Boden, gesinterte und granulare Materialien vielversprechend.

Weitere Informationen: www.lbf.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt

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