Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFZuverlässige Materialdaten für komplexe Anwendungsbedingungen
Untersuchung des biaxialen Verhaltens von Elastomeren bei Hoch- und Tieftemperatur
Die neu entwickelte Methode ermöglicht die präzise Ermittlung des biaxialen Verhaltens von Elastomeren bei extremen Temperaturen. Beim Aufblasen einer kreisförmig eingespannten Elastomerplatte kann bei homogenen Werkstoffen, mittels der seitlichen Aufnahme mit einer einzelnen Kamera die Dehnung der Blase über eine automatische Auswertesoftware erfasst werden.
Im Gegensatz zur herkömmlichen 3D-Vermessung mit aufwendiger Kalibrierung und begrenzten Anwendungsmöglichkeiten in Thermokammern, bietet die neue Methode eine deutlich einfachere Handhabung und höhere Effizienz.
Der Kunde profitiert von umfassenderen Ergebnissen, auch im Bereich großer Deformationen und das sogar bei hohen und tiefen Temperaturen. Die Innovation liegt in der Kombination aus einfacher Kameraanwendung und automatisierter Auswertung, die es ermöglicht, präzise Messungen unter extremen Bedingungen durchzuführen. Dies ermöglicht es unseren Kunden zuverlässige Materialdaten auch für komplexe Anwendungsbedingungen zu ermitteln und Bauteile auf Basis dieser Kennwerte sicherer auslegen zu können.
Biaxiale Prüfmethode für Elastomere unter hohen und tiefen Temperaturen.
Die Untersuchung des biaxialen Verhaltens von Elastomeren
Die Analyse des biaxialen mechanischen Verhaltens von Elastomeren durch Aufblasversuche bietet im Vergleich zu flächigen Kreuzproben einen größeren Deformationsbereich, klare Zusammenhänge zwischen Spannungen und Dehnungen sowie einfachere Probengeometrien. Herkömmliche Methoden zur Erfassung dieses Verhaltens erfordern jedoch aufwendige 3D-Vermessungen mit Stereo-Kameras, die oft nicht in Thermokammern eingesetzt werden können. Die Kalibrierung und Handhabung dieser Systeme der digitalen Bildkorrelation sind zudem zeitintensiv, und bei hohen Deformationen sind die Ergebnisse häufig unzuverlässig. Somit stellt die präzise Ermittlung des biaxialen Verhaltens von Elastomeren unter extremen Temperaturen eine erhebliche Herausforderung dar.
Automatischer optischer Auswertealgorithmus und Erzeugung von Spannungs-Dehnungs Kurven für das Biaxiale Verhalten.
Ein neues Verfahren für hohe und tiefe Temperaturen
Die entwickelte Methode zielt darauf ab, diese Probleme durch einen innovativen Ansatz zu lösen, der speziell für isotrope Materialien geeignet ist. Basierend auf der umfassenden, langjährigen Expertise des LBF in der Untersuchung des Materialverhaltens von Kunststoffen wurde eine Technik entwickelt, die es ermöglicht, eine kreisförmig eingespannt Elastomerplatte aufzublasen und deren Dehnung seitlich mit einer einzelnen Kamera zu erfassen. Der Einsatz einer einzigen Kamera eliminiert die aufwendige Kalibrierung. Unsere Software analysiert die Dehnung der Blase schnell und präzise. Besonders hervorzuheben ist, dass die Methode sowohl bei hohen als auch bei tiefen Temperaturen anwendbar ist. Diese Kombination ermöglicht präzise Messungen unter Bedingungen, die mit traditionellen Methoden nur schwer oder gar nicht realisierbar sind. Vergleichsversuche zwischen dem neu entwickelten Verfahren und der klassischen Dehnungserfassung über 3D digitalen Bildkorrelation zeigen vergleichbare Ergebnisse. Die Validität der neuen Methode ist damit nachgewiesen. Das Verfahren ermöglicht es das Materialverhalten unter statischen und zyklischen Ermüdungslasten zu analysieren.
Vergleich der Ergebnisse aus 3D-Grauwertkorrelation und der neuen Methode
Vorteile für die zuverlässige Auslegung von Elastomerbauteilen
Durch die neuartige Erfassung des Materialverhaltens erhalten unsere Kunden verlässliche Materialdaten, selbst unter komplexen thermischen Randbedingungen. Diese Daten können in der Finite-Elemente-Strukturauslegung verwendet werden, was eine sichere Auslegung von Bauteilen für die jeweiligen Anwendungsbedingungen ermöglicht. Mit präziseren Materialdaten wird die Produktqualität verbessert und das Risiko von Materialversagen signifikant reduziert. Die Ergebnisse finden Anwendung bei Materialherstellern, Entwicklern von Elastomerbauteilen sowie Berechnungsingenieuren.
Bei der Übertragung der experimentellen Daten in Materialmodelle und der Entwicklung von Methoden für die Bauteilsimulation bietet das Fraunhofer LBF seinen Partner umfangreiche Unterstützung.
