Recycling & Re-Use Potentiale

Modellierung des Materialverhaltens von Wood-Plastic-Composites mit einer Matrix aus thermoplastischem Elastomer unter Verwendung stochastisch-possibilistischer Simulationsmethoden.

Betreuer:

1. Betreuer:                  Prof. Dr. Rolf Mahnken
2. Betreuer:                  N.N.
3. Praxispartner:         N.N.
4. Industriepartner:   N.N.

Motivation:

Der ressourcenschonende Werkstoff WPC (Wood-Plastic-Composite) ist ein in der Kunststoffindustrie gefragter Verbundwerkstoff, der zunehmend an Bedeutung gewinnt. Dabei handelt es sich um thermoplastisch verarbeitbare Verbundwerkstoffe, die aus einer Matrix aus Kunststoff mit darin eingebetteten Holzfasern bestehen. Vorteile des Verbundwerkstoffes gegenüber reinem Kunststoff bzw. reinen Holzprodukten sind unter anderem die freie, 3-dimensionale Formbarkeit, eine höhere Steifigkeit, ein geringerer thermischer Ausdehnungskoeffizient, bessere haptische Eigenschaften sowie verbesserte Witterungsresistenz. Die Verwendung des Verbundwerkstoffes ist damit in Wohnbereichen als auch in Außenbereichen empfehlenswert.

Zielsetzung:

In dem Projekt sollen die bislang nicht untersuchten statistischen Eigenschaften des WPC mit TPE Matrix erforscht und durch geeignete Simulationsmethoden charakterisiert werden. Für die Anwendung dieses Materials sind insbesondere die Festigkeit und die Dämpfungseigenschaften von großer Bedeutung. Die Charakterisierung der statistischen Eigenschaften gründet auf den nicht homogen verteilten Holzfasern innerhalb des TPE, deren Längen und Orientierung einer Unsicherheit unterliegen. Diese Faktoren sind insbesondere in Kombination mit dem stark nicht-linearen Stauchungs- und Dehnungseigenschaften des TPE bei der Beschreibung des Materialverhaltens von großer Bedeutung.

Wesentliche Forschungsschwerpunkte des LTM werden folgendermaßen konkretisiert:

1. Experimentelle Untersuchung von WPC Proben zur statistischen Erfassung der Materialkennwerte.
2. Charakterisierung der zeitlich und räumlich verändernden Holzfaserlängenverteilungen innerhalb der TPE Matrix.
3. Untersuchung der statistischen Verbundeigenschaften von TPE-WPC in Kombination mit unterschiedlichen Holzstrukturen.
4. Implementierung geeigneter stochastisch-possibilistischer Materialmodelle zur Simulation von TPE-WPC bzw. dem Verbund von TPE-WPC mit Holzstrukturen.

Vorgehen / Methoden:

In vielen FE-Anwendungen herrscht häufig Unsicherheit bezüglich der Materialparameter des Simulationsmodells. Hieraus ergibt sich eine Unsicherheit in der Systemantwort und somit in der numerischen Simulation. Die stochastische Methode bietet eine Möglichkeit zur Quantifizierung dieser Unsicherheit. Hierbei beschreiben stochastische Felder die unsicheren Systemparameter. Dies bedeutet, dass die Lösung für ein mechanisches Randwertproblem mit der Stochastischen-Finite-Element-Methode (SFEM) erfolgt. Bei hybriden Strukturen handelt es sich um einen Verbund von z. B. Metallen und Prepregs (preimpregnated fibres). Für Metalle ist die Anzahl der Einflussgrößen für Unsicherheiten in Folge der Herstellung überschaubar. Bei den Prepregs gibt es hingegen mehrere Einflussgrößen, die einer Verteilung unterliegen. Die Wichtigsten sind die Aushärtung der Matrix, die Ausrichtung der Fasern und die Volumenanteile der Fasern. Bei der Kombination zu einem Hybridbauteil haben dann weitere Faktoren, wie z.B. die Verbindung der einzelnen Komponenten oder auch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten einen Einfluss. Die finalen Eigenschaften des Verbundes können aufgrund der Fülle von Randparametern daher nur schwer durch experimentelle Daten sicher bestimmt werden. Daher ist das wesentliche Ziel, die statistische Verteilung der Materialparameter zu bestimmen und in der FE-Simulation zu berücksichtigen.