Verformungs- und Versagensverhalten geschlossenzelliger Polymerhartschaumstoffe

Polymerhartschaumstoffe weisen hohe gewichtsspezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf und eigenen sich damit als Kernmaterial für hochbelastbare Sandwichstrukturen. In Verbindung mit hochsteifen und -festen Deckschichten, beispielsweise aus faserverstärkten Kunststoffen, lassen sich biegesteife Strukturen vor allem für flächige, beulgefährdete Bauteile im Fahrzeugund Anlagenbau in Leichtbauweise realisieren. Damit sich die, im Vergleich zu anderen Kernmaterialien, kostengünstigen Polymerhartschäume weiter durchsetzen können, ist eine detaillierte Kenntnis ihres werkstoffmechanischen Verhaltens erforderlich. Da das Verformungs- und Versagensverhalten von geschlossenzelligen Polymerhartschäumen nicht nur von dem konstituierenden Basismaterial, sondern in erheblichem Maße auch von der zellularen Struktur bestimmt wird, ist diese zwingend in die Werkstoffcharakterisierung einzubeziehen. Die vorliegende Arbeit zeigt am Beispiel von Polymethacrylimid-Schäumen (PMI) eine Methodik dafür auf. Dazu wurde die zellulare Schaumstruktur zunächst mittels Röntgen-Computertomographie und anschließender 3d-Bildanalyse morphologisch charakterisiert. Auf der Basis der dabei gewonnenen Informationen über die reale Schaumstruktur wurden dreidimensionale, stochastische Geometriemodelle als Repräsentative Volumenelemente (RVE) der Schaumstruktur erstellt und mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente strukturmechanisch analysiert. Neben den linear elastischen Eigenschaften wurde auf diese Weise das nichtlineare Versagensverhalten geschlossenzelliger Schäume unter Einwirkung statischer Lasten untersucht. Anhand von Parameterstudien wurde der Einfluss geometrischer Strukturparameter auf das mechanische Verhalten der Schaummodelle analysiert und damit die Struktur-Eigenschafts-Beziehung aufgeklärt. Die Simulationsergebnisse wurden sowohl anhand von mechanischen Experimenten zur Kennwertbestimmung als auch durch In-situ-Verformungsexperimente in der Röntgen-CT evaluiert. Demnach lassen sich die lastfall- und zellstrukturabhängigen Deformations- und Versagensmechanismen geschlossenzelliger Schäume im Modell realistisch abbilden und mechanische Kennwerte des Schaums somit realistisch vorhersagen.