Modellierung des Einflusses flüssiger Umgebungsmedien auf die mechanischen Eigenschaften teilkristalliner Kunststoff- bauteile mithilfe einer Multiskalen-Simulationskette

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433187426

Ziel des Forschungsvorhabens ist die modellhafte Beschreibung des Medieneinflusses auf teilkristalline Kunststoffbauteile im Kontext der virtuellen Bauteilauslegung.Kunststoffbauteile kommen in ihrem Einsatz mit einer Vielzahl von flüssigen Umgebungsmedien in Kontakt, welche ihre Eigenschaften deutlich beeinflussen können. Dieser Einfluss kann in der Bauteilauslegung aktuell nicht oder nur unzureichend berücksichtigt werden, wodurch die Funktionserfüllung technischer Kunststoffbauteile gefährdet wird. Der Einfluss des Umgebungsmediums auf den Werkstoff ist sehr vielfältig und wirkt auf unterschiedlichen Skalen. So wird beispielsweise der makroskalige Effekt des Steifigkeitsverlusts eines Bauteils durch Medienkontakt durch die kristalline Struktur auf der Mikroskala, den chemischen Aufbau des Polymers und der Sorbate auf der Nanoskala beeinflusst. Eigene Vorarbeiten zeigen, dass der Einfluss eines Mediums auf die inhärenten Werkstoffeigenschaften anhand atomistischer Simulationen für amorphe Thermoplaste modelliert werden kann.Bislang existieren noch keine grundlegenden Untersuchungen in der Fachliteratur hinsichtlich der virtuellen Bauteilauslegung von teilkristallinen Kunststoffbauteilen unter Medieneinfluss inklusive der Berücksichtigung der Effekte auf verschiedenen Skalen. In diese Forschungslücke zielt das geplante Vorhaben. Im hier beantragtem Vorhaben soll mithilfe einer Multiskalen-Simulationskette der Medieneinfluss auf teilkristalline Thermoplaste unter Berücksichtigung der Mikrostruktur abgebildet werden. Dazu wird eine Spritzgießsimulation zur Ermittlung der Mikrostruktur mit einer Diffusionssimulation zur Berechnung lokaler Medienkonzentrationen mit einer Struktursimulation zur Abbildung der Bauteilbelastung verknüpft. Die notwendigen Materialparameter werden durch atomistische Simulationen (Molekulardynamik- und Monte-Carlo-Simulationen) ermittelt. Sowohl die einzelnen Simulationen als auch die gesamte Kette wird kontinuierlich auf ihre Abbildungsgüte untersucht, wodurch das Ziel, den Medieneinflusses auf teilkristalline Kunststoffe realitätsnah abzubilden, überprüft wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen