Modellierung der Lebensdauer von thermoset Polymeren im Ingenieurbau

In den letzten Jahren haben sich nun auch Kunststoffe zu den klassischen Baumaterialien Holz, Stahl, Beton und Mauerwerk gesellt. Im Vergleich zu den klassischen Anwendungen im Fahrzeug und Flugzeugbau unterscheiden sich die Infrastrukturanwendungen vor allem dadurch, dass die Kunststoffe während der Herstellung nicht vollständig aushärten. Dies hat weitreichende Folgen, unter anderem die kontinuierliche Veränderung der mechanischen Eigenschaften im Laufe der Nutzung. Die wissenschaftliche Gemeinschaft verfügt gegenwärtig über keine geeigneten Konzepte, um die Änderung der Materialeigenschaften und somit die Tragfähigkeit und Nutzbarkeit der Infrastrukturbauwerke realitätsnah vorherzusehen. Das Projekt Modellierung der Lebensdauer von thermoset Polymeren im Ingenieurbau (LiMoPoSE)verfolgt einen interdisziplinären Ansatz und kombiniert experimentelle Untersuchungen mit computergestützten Simulationen, welche auf der Ebene der Struktur, des Materials und der Materialbestandteile stattfinden. Durch die Erarbeitung des notwendigen Grundlagenwissen wird die Möglichkeit geschaffen, echte Vorhersagemodelle für Strukturanwendungen zu formulieren. Die Qualität des Models wird anhand von 3 Fallbeispielen, ein klassisches aus dem Flugzeugbau und zwei repräsentative für den Ingenieurbau demonstriert.

Polymerwerkstoffe spielen eine zunehmend größere Rolle im Ingenieurbau. Im Vergleich zu den klassischen Anwendungen im Fahrzeug und Flugzeugbau unterscheiden sich die Infrastrukturanwendungen vor allem dadurch, dass die Polymere während der Herstellung nicht vollständig aushärten. Folglich finden Nachhärtungsreaktionen im Laufe der Lebensdauer des Materials statt, welche dessen mechanische Eigenschaften maßgebend verändern, insbesondere das viskoelastische Verhalten. Aufgrund der fortschreitenden Materialalterung können etablierte Konzepte für beschleunigte Tests nicht angewendet werden. Die Zustandsvorhersage für eine Lebensdauer von mehr als 50 Jahren bleibt somit eine ungelöste Herausforderung. Im vorliegenden Projekt soll auf Basis einer interdisziplinären Vorgehensweise bestehend aus Experimenten und Simulationen, die auf mehreren Längenskalen und Zeitskalen stattfinden, ein Modell für Strukturanwendungen entwickelt werden, welches echte Langzeitvorhersagen ausgehend von begrenzten experimentellen Kurzzeitmessungen erlaubt. Die praktische Relevanz wird anhand von zwei konkreten Fallbeispielen aus dem Ingenieurbau demonstriert. Die dabei erhobenen Daten zum mechanischen Verhalten bei unterschiedlichen Aushärtegrade von 2-4 typischen Thermosets stellt eine der umfangreichsten Datensammlungen dar, die zu diesem Thema verfügbar sind. Neben Entwicklung der mechanischen und visko-elastischen Eigenschaften wurde auch die Wasseraufnahme und damit einhergehende Änderungen im mechanischen Verhalten untersucht. Neben den experimentellen Daten wurden auch Modelle für die exotherme Aushärtung, damit einhergehenden Volumsänderungen, die aushärtegradabhängigen mechanischen Eigenschaften, inklusive Ratenabhängigkeit und insbesondere eine neuartiges Kriechmodell das Extrapolationen weit über den untersuchten Zeitraum erlaubt, entwickelt. Letzteres wurde auf Basis eines beinahe 2 Jahre langen Datensatzes nach Kalibrierung an einem 24 Stunden langen Datensatz validiert.