MAFoaM - Modular Algorithms for Closed Foam Mechanics

Zielstellung des Projektes

Im Gesamtvorhaben MAFoaM sollte die Entwicklung einer ganzheitlichen Methode für Analyse, Modellierung und Simulation geschlossenzelliger Polymerhartschäume vorangetrieben und ein Software-Tool ihrer praktischen Erprobung geschaffen werden. Dabei stand die Vorhersage von Materialkennwerten realer Schaumstoffe bezüglich des mechanischen, thermischen und akustischen Verhaltens im Vordergrund. Als Grundlage sollten mittels μCT gewonnene 3D-Daten realer Schaum-Mesostrukturen genutzt werden. Über die Korrelation der Modelle mit experimentell ermittelten Materialkennwerten sollten Materialeigenschaften der festen Schaum-Phase invers bestimmt und für Modell-Validierung und Kalibrierung der Simulation genutzt werden. Aufgabe der GFaI war die Schaffung von Softwarewerkzeugen für die Visualisierung und die standardisierte Analyse und Simulation der Polymerhartschäume.

Projektergebnisse

Im Gesamtvorhaben MAFoaM  wurde erstmals eine geschlossene Analysekette aus 3D-Bildanalyse von Röntgen-CT-Aufnahmen, 3D-Modellerstellung und anschließender FE-Simulation der mechanischen Eigenschaften für die Modellierung und Analyse geschlossenzelliger Polymerhartschäume realisiert. Alle notwendigen Schritte, beginnend mit der Parametrisierung anhand von μCT-Aufnahmen realer Werkstoffe über die Anpassung stochastischer Geometriemodelle der Zellstruktur bis zur FE-Simulation der repräsentativen Volumenelemente unter statischen Lasten, konnten weitgehend automatisiert werden. Somit konnte die Methode auch Nicht-Experten ohne langjährige Erfahrung zugänglich gemacht werden.

Anhand der im Ergebnis des Vorhabens in ein Demonstrationssystem implementierten Methode, lassen sich die mechanischen Eigenschaften (Steifigkeiten und Festigkeiten) geschlossenzelliger Polymerhartschäume praktisch im virtuellen Labor und ohne großen experimentellen Aufwand analysieren und vorhersagen. Die entwickelte Methodik gestattet die Parametrisierung und Optimierung einer Schaumstruktur im Sinne des virtuellen Materialdesigns.

Projekt MAFoaM
Modular Algorithms for closed Foam Mechanics

Die Ergebnisse betreffen Anwender und Entwickler entsprechender Schaumwerkstoffe, die vorgestellte Lösung kann nach Weiterentwicklung auch von Analyse-Dienstleistern zur Qualitätskontrolle oder für Entwicklungsdienstleistungen eingesetzt werden. Im Rahmen des Vorhabens wurde ein Software-Demonstrator für Überführung und Transfer der Forschungsergebnisse entwickelt, der sowohl exemplarische Ergebnisse für im Rahmen des Vorhabens untersuchte PVC- und PMI-Schäume enthält, als auch das Einlesen eigener Bilddaten ermöglicht.

In den vom Bereich 3D-DV der GFaI absolvierten Arbeitspaketen erfolgte einerseits die softwaretechnische Integration der algorithmischen Module und experimenteller Daten der Forschungspartner, andererseits wurden eigene Tools zur Verwaltung und insbesondere zur selektiven Visualisierung der komplexen räumlichen Messdaten und Oberflächen- sowie Volumenmodelle geschaffen.

Veröffentlichungen

R. Schlimper, R. Heidenreich, K. Schladitz, I. Vecchio: Mikro-CT-Bildanalyse, Mikrostrukturmodellierung und Eigenschaftssimulation von Werkstoffen am Beispiel geschlossenzelliger Polymerhartschäume. In: 3D-NordOst, 16. Anwendungsbezogenen Workshop zur Erfassung, Modellierung, Verarbeitung und Auswertung von 3D-Daten, Berlin, 12./13.12.2013, ISBN 978-3-942709-09-5, S. 75 ff. 

Projektpartner

  • Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM Halle
  • Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Kaiserslautern