Virtuelles Labor für Ni/PU-Hybridschäume - der Weg von experimentellen Untersuchungen zur virtuellen Auslegung

Abstract

Steigende Anforderungen an Gewicht, Stabilität und Kosten von Bauteilen erfordern den Einsatz von immer leichteren, steiferen und günstigeren Strukturen. Durch die Beschichtung eines kostengünstigen Polyurethan-Schaums mit nanokristallinem Nickel, bieten Ni/PU-Hybridschäume eine gute Lösung. Die Charakterisierung des Materials ist allerdings eine Herausforderung. Die komplexe Struktur-Eigenschafts-Beziehung des Schaums erfordert eine hohe Anzahl an Versuchen, um ein umfassendes Materialverständnis zu erhalten. Zusätzlich dauern Finite-Elemente-Simulationen durch ihre Komplexität sehr lange, wodurch bislang der breite industrielle Einsatz des Hybridschaums verhindert wird. Diese Arbeit präsentiert ein Virtuelles Labor für Hybridschäume. Dazu wird zunächst eine experimentelle Charakterisierung des Schaums vorgenommen, wobei zunächst die Erhöhung der Messgenauigkeit der digitalen Bildkorrelation im Fokus steht. Die hohe Messgenauigkeit ermöglicht die präzise Untersuchung von individuellen Stegen unter Zug- und Biegebelastung. Die mikromechanisch ermittelten Materialparameter dienen als Input für ein Simulationsmodell auf Basis einfacher Einheitszellen. Dabei zeigt die Verifikation auf der Porenebene gute Übereinstimmungen der Ergebnisse. Der abschließende Vergleich der experimentellen und simulativen Untersuchungen der Makroebene bestätigt die Ergebnisse. Durch das Virtuelle Labor kann ein Schaum exakt entsprechend der vorhandenen Anforderungen ausgelegt werden.

Increasing demands on weight, stability and cost of components require the use of ever lighter, stiffer and cheaper structures. By coating a low-cost polyurethane foam with nanocrystalline nickel, Ni/PU hybrid foams offer a good solution. However, characterising the material is a challenge. The complex structure-property-relationship of the foam requires a high number of experiments to obtain a comprehensive understanding of the material. In addition, finite-element-simulations take a long time due to their complexity. This has so far prevented the widespread industrial use of hybrid foam. This work presents the construction of a Virtual Lab for hybrid foams. For this purpose, an experimental characterisation of the foam is first carried out, whereby the focus is initially on increasing the measurement accuracy of the digital image correlation. The high measurement accuracy enables the precise investigation of individual struts under tensile and bending loads. The micromechanically determined material parameters serve as input for a simulation model based on simple unit cells. The verification on the cell scale shows good agreement of the results. The final comparison of the experimental and simulative investigations of the macro scale confirm the results. The Virtual Lab allows a foam to be designed exactly according to the existing requirements.