Implementation of a finite element model to predict the impact behaviour of 3D-printed PMMA specimens

Titel in Übersetzung: Implementierung eines finite Elemente Modells zur Vorhersage des Schlagverhaltens von 3D-gedruckten PMMA Prüfkörpern

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

In dieser Arbeit wird das Schlagverhalten von 3D-gedruckten PMMA (Polymethylmethacrylat) Prüfkörpern mit Hilfe der Finite-Elemente-Modellierung vorhergesagt. Beispielsweise müssen Schädelimplantate Stoßbelastungen standhalten, während das 3D-Druck-Verfahren die Herstellung komplexer Geometrien ermöglicht. Die ideale Füllstruktur, die bei Stoßbelastungen mehr Energie absorbiert als andere Strukturen, ist zunächst nicht bekannt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die am besten geeignete Füllstruktur mit Hilfe der Finite-Elemente-Modellierung zu bestimmen, anstatt mögliche Strukturen herzustellen und zu testen. In Zusammenarbeit mit den Lehrstühlen für Kunststoffverarbeitung sowie Werkstoffkunde und Prüfung der Kunststoffe an der Montnuniversität Leoben wurden voll gefüllte Prüfkörper 3D-gedruckt und entsprechend der Norm für die Schlagprüfung von Polymeren geprüft. Der Versuchsaufbau wurde modelliert und die Ergebnisse der Prüfkörper bildeten die Grundlage für die Kalibrierung von zwei Materialmodellen zur Vorhersage der absorbierten Energie während des Einschlags. Das Schädigungs- und Versagensverhalten der Prüfkörper wird mit Hilfe eines Schädigungsmodells für das Material abgebildet. Das spröde Schädigungsmodell in ABAQUS bildete die Versuchsergebnisse am besten ab. Um dieses Schädigungsmodell zu verwenden, muss das Materialgesetz isotrop und linear-elastisch sein. Dennoch ist das geschädigte Materialverhalten anisotrop, da die Schädigung in Form von Steifigkeitsabbau in Belastungsrichtung modelliert wird. Um diese Materialmodelle zu bewerten, wurde eine alternative Füllstruktur hergestellt und getestet. Die Testergebnisse wurden dann mit den Vorhersagen der Simulationen verglichen. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse beider Füllstrukturen für die Kalibrierung eines dritten Materialmodells berücksichtigt. Um die Vorhersagequalität dieser drei Materialmodelle zu bewerten, wurden zwei neue Geometrien hergestellt und ihre Simulationsergebnisse mit den Testergebnissen verglichen. Zwei der drei kalibrierten Materialmodelle ergaben eine qualitativ korrekte Vorhersage in Bezug auf die absorbierte Energie. Dies bedeutet, dass die FE-Modelle die Frage beantworten, welche Füllstrukturen bei Schlagbelastung besser abschneiden (d.h. mehr Energie absorbieren). Wenn es jedoch um die absoluten Werte der absorbierten Energie geht, weichen die Simulationsergebnisse von den Testergebnissen ab. Die Aufgabenstellung dieser Arbeit lautete, Füllstrukturen zu finden, die mehr Energie absorbieren als andere. Hierfür sind die qualitativ korrekten Vorhersagen ein zufriedenstellendes Ergebnis. Die quantitativen Ergebnisse könnten in zukünftigen Arbeiten durch die Implementierung eines erweiterten Materialgesetzes in Kombination mit den kalibrierten Schädigungsmodellen verbessert werden.
Titel in ÜbersetzungImplementierung eines finite Elemente Modells zur Vorhersage des Schlagverhaltens von 3D-gedruckten PMMA Prüfkörpern
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Pletz, Martin, Mitbetreuer (intern)
  • Schuecker, Clara, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2020

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • finite Elemente
  • FE
  • Kunststoffe
  • Polymere
  • Stoßbelastung
  • Schlagbelastung
  • Impact
  • Materialmodell
  • Modellierung
  • PMMA

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