Entwicklung der Kennwerte für die Simulation von Spannungs-Dehnungsverhalten von Silikonbauteilen mit Hilfe von Normprüfkörpern und Erweiterung des Modells um die Alterung (SimAlSi)

Das Projekt zielte darauf ab, die Auswirkungen der Alterung auf die mechanischen Eigenschaften von Silikonelastomeren umfassend zu untersuchen und eine datenbankgestützte Modellierung hyperelastischer Materialien zu entwickeln. Untersucht wurden die Alterungseffekte unter verschiedenen Lagerungsbedingungen. Die Ergebnisse bieten insbesondere kleinen- und mittelständischen Unternehmen (KMU) die Möglichkeit, die Materialauswahl und Entwicklungsprozesse zu optimieren, ohne kostspielige Grundlagenforschung betreiben zu müssen.

Zur Bewertung der Veränderungen der Materialeigenschaften durch Alterung wurden verschiedene mechanische Prüfungen durchgeführt. Die Ergebnisse von Zugversuchen zeigten, dass die Spannung bei 100 % Dehnung während der Lagerung unter Echtzeitbedingungen und in einer Glykol-Wasser-Mischung leichtzunehmen. Dieser Effekt ist bei Lagerung mit Temperaturzyklen noch stärker ausgeprägt. Im Gegensatz dazu versagten alle untersuchten Silikonprodukte bei der Lagerung in Getriebeöl. Zudem zeigten unterschiedliche Geometrien unterschiedliche Alterungsgrade.

Es wurden zwei Flüssigsilikonelastomere (LSR: Liquid Silicone Rubber) und ein raumtemperaturvernetzendes Silikonelastomer (RTV) in Bezug auf die Änderungen der mechanischen Eigenschaften durch Alterung untersucht. Für die Normprüfungen wurden drei unterschiedliche Normprüfgeometrien: Zugprüfstab S2 sowie zwei zylindrische Scheiben, hergestellt sowie eine weitere, vom Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik entwickelte, nicht genormte Prüfgeometrie für die FEM-Simulation. Beide LSR wurden über 30 Monate gelagert und das RTV ca. 20 Monate innerhalb der Projektlaufzeit. Zusätzlich wurden ein Klimawechseltest sowie Medienlagerungen durchgeführt. 

Durch die Echtzeitalterung im Normklima konnten nur geringe Unterschiede in den Kennwerten ermittelt werden. Das Gleiche gilt für die beschleunigte Alterung im Klimawechseltest in Anlehnung an die PV1200 und die Lagerung über 6 Wochen in einem Glykol-Wasser-Gemisch. Ein sehr deutliches Materialversagen bei allen Kennwerten und allen drei Silikonelastomeren konnte bei der Lagerung in Getriebeöl beobachtet werden. 

Bei dem RTV konnte innerhalb der ersten Woche bzw. des ersten Monats ein Anstieg der Kennwerte beobachtet werden, die auf eine Nachvernetzung aufgrund der geringen Aushärtetemperatur zurückzuführen ist. 

Das entwickelte hyperelastische Materialmodell bietet eine zuverlässige Grundlage für die Vorhersage des alterungsbedingten Verhaltens aus der Echtzeitlagerung und ermöglicht die Übertragung der Modellierungen auf verschiedene Geometrien und Materialien. Es wurde auch der Einfluss unterschiedlicher Dehngeschwindigkeiten analysiert, die sich als bedeutend für das Materialverhalten und das Materialmodell erwies. 

Prüfstand zur Messung der H-Probe

Simulationsergebnisse der H-Probe mit den verwendeten Spritzgießparametern (links: 130 °C Werkzeugtemperatur und 90 s Vernetzungszeit, rechts: 180 °C und 30 s Vernetzungszeit)

Herstellung der Platten für die Echtzeitalterung 

Forschungsvereinigung:

Deutsche Kautschuk-Gesellschaft e.V. – DKG

Forschungseinrichtungen:

FE 1: Institut für Werkstofftechnik, Kunststofftechnik, Universität Kassel (IfW)

Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim

Mönchebergstraße 3

34125 Kassel

FE 2: Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik, Mechatronik mit dem Schwerpunkt Fahrzeuge, Universität Kassel (IAF)

Prof. Dr.-Ing. Michael Fister

Wilhelmshöher Allee 71

34121 Kassel