Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein wesentliches Werkzeug zur Simulation und Analyse der mechanischen Verhaltens von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Trotz ihres Potenzials gibt es eine Reihe klassischer Herausforderungen bei der Anwendung dieser Methode auf solche Materialien:

• Nichtlineares Materialverhalten: Kunststoffe und Faserverbundwerkstoffe zeigen ein ausgeprägtes nichtlineares Verhalten, einschließlich Plastizität, Zeitabhängigkeit (Kriechen und Relaxation) und Temperaturempfindlichkeit. Die genaue Modellierung dieser nichtlinearen Eigenschaften erfordert komplexe Materialmodelle und kann die Rechenzeit erheblich verlängern.
• Anisotropie: Faserverbundwerkstoffe sind häufig anisotrop, das heißt, ihre Eigenschaften variieren je nach Richtung aufgrund der Ausrichtung der Fasern. Die Modellierung dieser Anisotropie erfordert spezialisierte Materialmodelle und eine detaillierte Kenntnis der Fasergeometrie und -verteilung.
• Grenzflächeneffekte: Bei Verbundwerkstoffen sind die Grenzflächen zwischen Fasern und Matrix entscheidend für das Gesamtverhalten des Materials. Eine exakte Modellierung der Kontaktbedingungen und der Interaktionen an diesen Grenzflächen ist komplex, spielt aber eine entscheidende Rolle für die Vorhersage von Phänomenen wie Delamination. 4.
• Mesh-Erstellung: Die Geometrie von Verbundmaterialien kann sehr komplex sein, was die Erstellung eines geeigneten Netzes (Mesh) für die FEM-Simulation herausfordernd macht. Ein feinmaschigeres Netz verbessert die Genauigkeit, erhöht aber die Rechenanforderungen.
• Skaleneffekte: Die Mehrskalen-Natur von Verbundwerkstoffen, bei denen Mikro-, Meso- und Makroskalen interagieren, verlangt oft nach detaillierten Modellen, die die gesamte Materialhierarchie abbilden. Dies führt zu erhöhter Komplexität und Rechenaufwand.

Software-Tools: Abaqus, Altair OptiStruct und Hyperworks, FEniCS

Die Simulation des Vernetzungsverhaltens von duromeren Kunststoffen ist entscheidend, um deren mechanische Eigenschaften und Verarbeitungsprozesse besser zu verstehen und zu optimieren. Duromere sind durch ein dreidimensionales Netzwerk chemisch verbundener Moleküle gekennzeichnet, das durch Polymerisation entsteht. Die Simulation dieses Vernetzungsprozesses umfasst mehrere Herausforderungen und Ansätze:

• Kinetik der Vernetzung: Die Simulation muss die chemischen Reaktionen abbilden, die zur Bildung des Netzwerks führen. Dies erfordert Kenntnisse über die Reaktionskinetik und die Diffusionsprozesse von Reaktanten. Solche Simulationen können die Reaktionsordnung, Frequenzfaktoren und Aktivierungsenergien berücksichtigen.
• Temperatur- und zeitabhängiges Verhalten: Die Vernetzung ist stark temperaturabhängig, da höhere Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen. Simulationen müssen deshalb Temperatureffekte berücksichtigen, was besonders bei der Optimierung von Aushärtungsprozessen wichtig ist.

Software-Tools: Netzsch Kinetics Neo