Zur Modellierung des mechanischen, thermischen und kalorischen Verhaltens polymerer Werkstoffe

Numerische Berechnungen sind als Teil des Entwicklungsprozesses von Polymerbauteilen unverzichtbar geworden. Die Herstellungsprozesse und die Eigenschaften der Produkte lassen sich nur dann optimal auslegen, wenn die Erkenntnisse aus Versuchen und Simulationen wechselseitig aufgegriffen und umgesetzt werden. Dies gilt unabhängig davon, ob eine möglichst effiziente und kostengünstige Fertigung eines Massenproduktes oder die Auswahl eines geeigneten Werkstoffs für eine hochspezielle technische Anwendung Auslöser für die Neuoder Weiterentwicklung eines Produktes ist. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten ganzheitlichen Materialmodell kann das viskoelastische Materialverhalten polymerer Werkstoffe mit seiner signifikanten Abhängigkeit des aktuellen Zustands von der mechanischen Vorgeschichte wie auch der Temperaturgeschichte aus einem einzigen konsistenten Ansatz heraus berücksichtigt werden. Die in den mechanischen, thermischen und kalorischen Eigenschaften auftretenden charakteristischen Ausprägungen des Glasübergangs werden durch das entwickelte Modell in ihrer ganzen Breite abgebildet. Dies zeigt die Gegenüberstellung von Berechnungsergebnissen mit aus der Literatur entnommenen Messergebnissen. Über innere Variablen, die als zusätzliche Zustandsgrößen auf der Ebene des thermodynamischen Potentials eingeführt werden, wird der Einfluss der prozessabhängigen Beweglichkeit der Mikrostrukutur polymerer Werkstoffe auf ihr makroskopisches Verhalten im Modell berücksichtigt. Mit den phänomenologischen Koeffizienten in den Ratengleichungen der inneren Variablen lassen sich nicht nur die charakteristische Temperatur- und Geschwindigkeitsabhängigkeit des Verhaltens (Zeit-Temperatur- bzw. Frequenz-Temperatur- Verschiebungsprinzip) unmittelbar erfassen, sondern auch physikalisch nichtlineare Effekte. Dies gilt für den eindimensionalen und den dreidimensionalen Fall gleichermaßen. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Erkenntnisse gelten nicht nur für Polymere. Das Modell ist vielmehr auf alle glasbildenden Systeme anwendbar. In seiner dreidimensionalen, sogar für die Beschreibung anisotropen Materialverhaltens anwendbaren Formulierung ist das Modell dafür geeignet, in einem Finite-Elemente-Programm implementiert zu werden. Es ist daher davon auszugehen, dass der mit dem ganzheitlichen Modell geleistete Beitrag zur Materialtheorie dazu führt, dass in der Praxis im konkreten Anwendungsfall künftig adäquatere, kostengünstigere und damit wettbewerbsfähigere und wirtschaftlichere Lösungen angeboten werden können.