DFG SFB/Transregio 39 PT-PIESA
TP C07

Simulation der Aushärte- und Schrumpfungsprozesse von Fügewerkstoffen in umformbaren Piezo-Metall-Verbunden

J. Ihlemann
  1. Ziele
  2. Ergebnisse
  3. Methoden
  4. Publikationen
  5. Kontakt

 

Ziele

Prozesskette Umformen

  • Serienfähiger Produktionsprozess
  • Automatisierbare Prozesse für Klebstoffauftrag, Piezopositionierung und Wärmeeintrag
  • Kurze Taktzeiten
 b06

Konzeptioneller Prozesskette Umformen Ansatz

  • Steuerung eines räumlich und zeitlich veränderlichen Temperaturfeldes
  • Umformung mit Klebstoff-Doppelfunktion
  • Schrumpfung infolge Härtungsreaktion und Abkühlung
 b06

Teilprojekt C07

  • Simulationslösungen für Gelierung und Aushärtung
  • Ganzheitliche Umsetzung des Simulationskonzepts in Kooperation mit TP B01
  • Vollständig chemisch-thermomechanisch gekoppelte Simulation
  • Berechnung von Eigenspannungen, Sekundärverformungen, Piezobeanspruchungen
  • Vorhersage von Prozessgrenzen anhand systematischer Parameterstudien
  • Erforschung optimaler Fertigungsprozesse

 

Ergebnisse


Experimentelle Charakterisierung und Phänomenologische Materialmodellierung

Härtungsreaktion und Aushärtegrad: Differential Scanning Calorimetry (DSC)

  • Kaltaushärtender 2K-Epoxydharzklebstoff:

  • Reaktion kann bei Raumtemperatur nicht gestoppt werden
  • Randgelierung nur bedingt möglich

Warmhärtender 1K-Polyurethanklebstoff:

  • Härtungsreaktion findet erst bei Temperaturen >80°C statt
  • Reaktion kann unterbrochen werden
  • Randgelierung möglich

 

Mechanische Eigenschaften

Kaltaushärtender 2K-Epoxydharzklebstoff:

  • Viskoelastisches Verhalten
  • Moderate Dehnungen
  • Glasübergang im Temperatureinsatzbereich

Warmhärtender 1K-Polyurethanklebstoff:

  • Elastomerverhalten
  • Große Dehnungen
  • Relaxation

 

Thermomechanisch gekoppelte Materialmodelle

Kaltaushärtender 2K-Epoxydharzklebstoff:

  • Viskoelastisches Modell auf Basis des generalisierten Maxwell-Modells
  • Gleichgewichtsspannung mit Hilfe eines pseudo-elastischen Ansatzes und prozess-abhängigen elastischen Eigenschaften formuliert

Warmhärtender 1K-Polyurethanklebstoff:

  • Anwendung des MORPH-Modells zur Nachbildung des zu Grunde liegenden Elastomerverhaltens

 

Finite Elemente Modellierung
  • Thermische Simulation der Randgelierung
  

 

  • Umgeformte Geometrie als Basis für die Simulation der Aushärtung

 

  • Thermomechanische Simulation: Analyse von Piezobeanspruchungen und Sekundärverformungen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Methoden

Materialcharakterisierung
  • Reaktionsenthalpie und Wärmekapazität DSC (dynamisch & isotherm)
  • Mechanische Eigenschaften während der Aushärtung: Torsionsrheometer
  • Mechanische Eigenschaften im ausgehärteten Zustand: DMA, Rheometer, Zugversuche in temperierter Umgebung
  • Wärmeleitfähigkeit: Messapparatur zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit, anschließende Berechnung der Wärmeleitfähigkeit
  • Wärmeausdehnung und Reaktionsschwindung: Messapparatur auf Basis des Archimedischen Auftriebsprinzips

  

 

Materialmodellierung und Parameteridentifikation

Materialmodellierung

  • Aushärtegrad q
  • Volumenänderungen
  • Wärmefreisetzung infolge der chemischen Reaktion
  • Verschiedene Ansätze zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens
    - Erweiterung um härtungsbedingte Hauptsätze und
      Formulierung der Wärmeleitungsgleichung

 

Parameteridentifikation

  • Implementierung der Stoffgesetze in ein Programm zur Simulation homogener Deformationszustände
  • Einbettung in ein Optimierungswerkzeug zur automatischen Identifikation von Materialparametern
  • Parameteridentifikation durch Anpassung der Simulationsmodelle an experimentell ermittelte Daten

 

FEM Simulationstools
  • Vollständig thermomechanisch gekoppelte Simulation
  • Implementierung der Stoffgesetze über die Benutzerschnittstelle USRMAT
  • Gestaffelter Lösungsalgorithmus in ANSYS™
  • Thermische Simulation der Randgliederung
  • Thermomechanisch gekoppelte Simulation von Piezobeanspruchungen und Sekundärverformungen während der Aushärtung

 

  •  

Publikationen

Arbeiten mit wissenschaftlicher Qualitätssicherung

 

[Shu13a]

Shutov A V, Landgraf R, Ihlemann J (2013)
An explicit solution for implicit time stepping in multiplicative finite strain viscoelasticity. Comput Methods Appl Mech Eng 265:213-225

[Lan14]

Landgraf R, Scherzer R, Rudolph M, Ihlemann J (2014)
Modelling and simulation of adhesive curing processes in bonded piezo metal composites. Comput Mech 54(2):547-565

[Kie16]

Kießling R, Landgraf R, Scherzer R, Ihlemann J (2016)
Introducing the concept of directly connected rheological elements by reviewing rheological models at large strains. Int J Solid Struct 97-98:650-66

[Rud16]

Rudolph M, Naumann C, Stockmann M (2016)
Degree of Cure Definition for an Epoxy Resin Based on Thermal Diffusivity Measurements. Materials Today: Proceedings 3(4):1144-1149

[Lan16a]

Landgraf R (2016)
Modellierung und Simulation der Aushärtung polymerer Werkstoffe. Dissertation, TU Chemnitz, 2015. Erschienen im Verlag Dr. Hut (2016)

[Lan17]

Landgraf R, Ihlemann J (2017)
Application and extension of the MORPH model to represent curing phenomena in a PU based adhesive. in: Constitutive Models for Rubber X, edited by A. Lion, M. Johlitz. London: Taylor & Francis Group, S. 137-143

Andere Veröffentlichungen

 

[Neu11] 

Neugebauer R, Ihlemann J, Lachmann L, Drossel W-G, Hensel S, Nestler M, Landgraf R, Rudolph M (2011)
Piezo-metal-composites in structural parts: Technological design, process simulation and material modelling. In: Proc CRC/Transregio 39, Chemnitz, Germany, pp 51-56

[Lan11a] 

Landgraf R, Ihlemann J (2011)
Zur Modellierung von Aushärtevorgängen in Polymeren unter Verwendung von Stoffgesetzen der Viskoelastizität und Viskoplastizität. PAMM 11(1): 399-400

[Lan11b] 

Landgraf R, Ihlemann J, Kolmeder S, Lion A (2011)
Constitutive Modelling, Finite Element-Implementation and Simulation of thermo-mechanical Processes in curing Materials. In: Proc 17th Int Symp Plast Curr Appl. NEAT Press, USA, pp 67-69

[Lan12]

Landgraf R, Ihlemann J (2012)
On the direct connection of rheological elements in nonlinear continuum mechanics. PAMM 12(1): 307-308

[Neu13]

Neugebauer R, Ihlemann J, Lachmann L, Drossel W-G, Hensel S, Nestler M, Rudolph M (2013)
Experiments an FE-Simulation of the forming an curing process of bonded Piezo-Metal-Structures. In: Proc CRC/Transregio 39. Nuremberg, Germany, pp 103-108

[Shu13b]

Shutov AV, Landgraf R, Ihlemann J (2013)
An explicit update formula for implicit time integration within finite strain viscoelasticity. PAMM 13(1): 147-148

[Rud14]

Rudolph R, Landgraf R, Ihlemann J (2013)
Experiments, modelling and simulation of adhesive curing processes in bonded three dimensional curved piezo metal composite structures. PAMM 14(1): 235-236

[Dro15]

Drossel W-G, Müller R, Ihlemann J, Rudolph M, Hensel S, Nestler M (2015)
Local pre-curing of an adhesive for the fabrication of shaped piezo-metal-compounds; 5 Wissenschaftliches Symposium PT-PIESA, September 2015, S. 41-46

[Lan15]

Landgraf R, Shutov A V, Ihlemann J (2015)
Efficient time integration in multiplicative inelasticity. PAMM 15(1): 325-326

[Rud15]

Rudolph R, Landgraf R, Ihlemann J (2015)
FE-simulation of spatially graded gelation during adhesive´s curing. PAMM 15(1): 351-352

[Lan16b]

Landgraf R, Ihlemann J (2016)
A general modelling framework and specific mechanical approaches to simulate curing phenomena in polymers. PAMM 16(1):367-368

[Lan17]

Landgraf R, Ihlemann J (2017)
Phenomenological modelling of curing phenomena in a PU based adhesive. PAMM - 17(1):427-428

 

Kontakt

Leiter:
Prof. Dr.-Ing. habil. Jörn Ihlemann
Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Maschinenbau
Professur Festkörpermechanik
09107 Chemnitz
Telephon: +49 371 531-36946
E-Mail:

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