Modellierung quellungsbedingter Spannungen in PMMA mittels FEM unter Berücksichtigung von Sorptionsisothermen

Ein verbesserter Festigkeitsnachweis für Kunststoffkomponenten wird angestrebt, der umgebungsbedingte Einflüsse auf die Beanspruchbarkeit und auf die Beanspruchungen unter Berücksichtigung ihrer Geometrie abbildet, und zwar von Beginn des Entwicklungsprozesses an. Das Werkstoffverhalten eines Modellsystems (PMMA unter dem Einfluss von Umgebungsfeuchte bei Raumtemperatur) wird in Diffusionsexperimenten und mechanischen Prüfungen untersucht. Das Sorptionsverhalten des Modellsystems wird mit dem Dual-Stage-Modell beschrieben, woraus lineare quellungsbedingte Ausdehnungskoeffizienten folgen. Das auf diese Weise parametrisierte Werkstoffverhalten dient als Eingangsdaten für gekoppelte Computersimulationen der mechanischen Spannungen in einer dünnen PMMA-Platte, die durch das Zusammenspiel zwischen Diffusion, Weichmachung und Quellung bzw. Schwindung entstehen (isotherm). Experimentelle Spannungszustände durch überlagerte Trocknung und Drei-Punkt-Biegung bestätigen die Größenordnung simulierter Trocknungsspannungen. Abschließend wird die entwickelte Methodik in einer Fallstudie zur Ermittlung von Quellspannungen in Platten aus einem Epoxid- und einem Acrylharz eingesetzt.