„Computation Expertise Meets Polymer Science“

Kompetenzen und technische Anwendungen

Im PCCL Forschungsbereich „Simulation und Modellierung“ erarbeiten wir für unsere Industriepartner nummerische Methoden zur Auslegung  zuverlässiger und ökonomischer Produkte auf Basis polymerer Werkstoffe. Dabei wird das interdisziplinäre Fachwissen im Bereich der Polymerwissenschaften im gemeinsamen Zentrum genutzt um die komplexen Zusammenhänge zu beschreiben. Die von der Molekülstruktur und Morphologie abhängigen Materialeigenschaften werden belastungsabhängig charakterisiert und in Materialmodellen abgebildet.

Wir arbeiten dabei hauptsächlich mit der finiten Elemente Methode und verwenden Simulationsmodelle um das (thermo-)mechanische Verhalten von Bauteilen virtuell zu beschreiben. Problemspezifische Materialmodelle und Methoden erlauben es die Funktionalität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer vorherzusagen. Die Ergebnisse wiederum sind die Basis für eine mögliche Optimierung des Designs bzw. der Materialauswahl.

Wir haben Erfahrung bei der Charakterisierung und der finiten Elemente Implementierung des Materialverhaltens der meisten kommerziellen Kunst- und Verbundwerkstoffe bei unterschiedlichen Belastungszuständen. Gemeinsam mit dem Aufbau von spezifischen nicht standardisierten experimentellen Tests, ist die Entwicklung von Materialmodellen zur Beschreibung des spezifischen Deformations- und Schädigungsverhaltens einzelner Kunststofftypen ein wichtiger Aspekt in unserem Forschungsbereich. Diese Materialmodelle berücksichtigen zum Beispiel Zeitabhängigkeit, Temperatur oder Anisotropie. Neben der genauen Beschreibung des Materialverhaltens, sind oft auch erweiterte Simulationsansätze notwendig um eine Problemstellung zu lösen. Neue Ansätze werden im Bereich zum Beispiel zur Beschreibung lokaler Schädigung, prozessinduzierter Einflüsse oder von Multimaterialsystemen entwickelt.

Partner arbeiten mit uns in längerfristigen Forschungsprojekten an der Entwicklung neuer Konstitutivgesetze und Modellierungsansätzen so wie kurzfristigen Simulationsaufträgen. Unsere Partner sind im Bereich der Mikroelektronik-, Elektromechanik-, Automobil-, Werkzeug-, und Flugzeugindustrie tätig. Mit unseren eigenen Kompetenzen sind wir in einem erfahrenen nationalen und internationalen Netzwerk integriert. 

Wissenschaflicher Ansatz

Im Bereich Simulation und Modellierung arbeiten wir an der Entwicklung von experimentellen Charakterisierungsmethoden, Konstitutivgesetzen und Modellierungsansätzen als Basis für die finite Elemente Berechnung von Kunst- und Verbundwerkstoffen. Zusammen mit internationalen wissenschaftlichen Partnern und langfristigen Industriepartner erarbeiten wir neue Simulationsansätze für Problemstellungen in der angewandten Forschung.

Als Basis für die Materialmodellierung entwickeln und verwenden wir problemspezifische experimentelle Versuchsaufbauten. Dabei wird zum Beispiel in Zeit-, Temperatur- bzw. Zyklenabhängigen Versuchen das Kriech-, Anisotropie- oder Ermüdungsverhalten berücksichtigt.

Aufbauend auf den experimentellen Daten werden passende  Konstitutivgesetze, die das Materialverhalten in ausreichender Genauigkeit und der richtigen Abhängigkeit der zu berücksichtigen Randbedingungen,  definiert. Dabei kann je nach Problemstellung entweder auf in kommerziellen finite Elemente Programmen bereits verfügbare Materialgesetze zurückgegriffen werden, oder es werden wenn notwendig neue Modelle von uns aufgestellt  und implementieret. Dabei berücksichtigen wir im speziellen Viskoelaszität, Viskoplastizität, Anisotropie, Hyperelastizität, Schädigung und Versagen in unseren Ansätzen. Eigenentwicklungen sind zum Beispiel Modelle für nichtlineare Viskoelastizität, dehnratenabhängiges Versagen, zyklische Delamination oder anisotrope Hyperelastizität.

Ein Schwerpunkt in unserer Forschung ist unter anderen die Modellierung von Grenzschichten. Dabei werden Bruchmechanische Konzepte verwendet um Ablösung bzw. Delamination, unter Berücksichtigung von Ermüdung und unterschiedlichen Belastungszuständen, zu simulieren und vorherzusagen. 

Ein weiterer wichtiger Modellierungsaspekt, der im Bereich untersucht wird ist der vielfältige Einfluss von Herstellungsprozessbedingungen. Dabei werden z.B. Eigenspannungen basierend auf der Kinetik der  Aushärtung, Faserorientierungen durch den Spritzgussprozess oder Temperaturvorbelastungen berücksichtigt.

Die Forschung im Bereich der Modellierung weicher Materialien ist eng mit der experimentellen Charakterisierung dieser Materialien koordiniert, da hier spezielle gut abgestimmte Methoden zur Messung, Auswertung und Beschreibung des Materialverhaltens notwendig sind. Dabei werden zum Beispiel hyperelastische Materialien mit definierten richtungsabhängigen Verstärkungen untersucht. 

Verbundwerkstoffe sind durch den meist lagenbasierten Aufbau und unterschiedlichen thermo-mechanischen Eigenschaften von Matrix und Faser Thema in vielen Projekten im Bereich. Hier werden unter anderem mikromechanische Konzepte verwendet um das Deformations- und schädigungsverhalten der unterschiedlichen Materialkombinationen zu beschreiben.

Die wissenschaftliche Anerkennung des Forschungsbereichs Simulation und Modellierung am PCCL ist durch eine Vielzahl an Publikationen und Vorträgen bei internationalen Konferenzen dokumentiert. Regelmäßige Beiträge unseres Forschungsbereichs sind im Programm der für unsere Forschungsschwerepunkte etablierten Konferenzen wie zum Beispiel der ‘International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems’,  der  ‘International Conference on Fracture of Polymers, Composites and Adhesives’, der ‘SEM International Congress & Exposition on Experimental & Applied Mechanics, the Mechanics of Time Dependent Materials Conference’, der  ‘International Mechanical Engineering Congress & Exposition’ und der ‘Electronics Packaging Technology Conference’.

Arbeitsgruppen

Der Bereich Simulation und Modellierung ist in zwei Arbeitsgruppen organisert:

„Simulationsstrategien für die Auslegung von Kunst-und Verbundwerkstoffen‘‘ (geleitet von Dr. Peter Fuchs)

„Materialmodellierung von Kunst- und Verbundwerkstoffen“ (geleitet von Dr. Margit Lang)