Im Spritzguss hergestellte Bauteile mit Kurzfaserverstärkung weisen ein niedriges Gewicht bei hoher Steifigkeit auf und bieten damit beispielsweise in der Automobilbranche eine Alternative zu Bauteilen aus konventionellen Werkstoffen wie Stahl. Die Eigenschaften der Kunststoffbauteile sind das Resultat einer vielschichtigen Prozessgeschichte. Dabei erfährt das Material einen hohen Wärmeaustausch, wechselt seine Phase von flüssig zu fest, kühlt lokal unterschiedlich schnell ab und wird von den Orientierungen der eingebetteten Kurzfasern geprägt. Da die Bauteileigenschaften eine hohe Sensitivität gegenüber Variationen der Prozessparameter besitzen, sollen Simulationen des Fertigungsprozesses kostengünstige Vorhersagen zur Güte des Endproduktes ermöglichen. Den Simulationen liegen mathematische Gleichungen zu Grunde, die das effektive Materialverhalten beschreiben. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Formulierung eines solchen Materialmodells. Mit Hilfe von Homogenisierungen repräsentativer Volumenelemente wird zunächst der Einfluss der Faserorientierungsverteilung auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften analysiert. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen anschließend in die Modellierung des Materialverhaltens ein. Der in dieser Arbeit verwendete Modellierungsrahmen ist für große Deformationen ausgelegt, berücksichtigt den Phasenübergang sowie Temperaturabhängigkeiten in den viskoelastischen Steifigkeitsanteilen und stützt sich auf eine effektive Integrationsregel, um die Faserorientierungsverteilung einzubeziehen. Die Identifikation der Materialparameter geschieht mit Hilfe von Experimenten an Proben mit unidirektionaler Faserausrichtung. Das identifizierte Materialmodell wird schließlich in die kommerzielle Finite-Elemente-Umgebung Abaqus implementiert und steht damit Simulationen der Abkühlung und der Beanspruchung eines spritzgegossenen Kettenglieds zur Verfügung.

Der fortschreitende Trend zu höherer Leistungsdichte und Miniaturisierung führt auch in der Leistungselektronik zum Einsatz neuer Technologien, wie dem Silber (Ag) Sintern. Dieses weist eine höhere Temperaturbeständigkeit gegenüber konventionellen Loten auf und ermöglicht eine längere Lebensdauer. Fehlermechanismen, Lebensdauermodelle und prozessabhängige Einflüsse des Ag-Sinterns sind Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten. Diese Arbeit beschäftigt sich insbesondere mit der Lastwechselfestigkeit bei passiven Temperaturwechseln für verschiedene Hübe und dem daraus entstehenden neuen Fehlermechanismus der Sinterschicht im Zusammenspiel mit dem Kupfer des Substrats. Untersuchungen der Mikrostruktur zeigen dabei eine starke Verformung des Kupfers, bei der ein Wechselspiel mit der Sinterschicht entsteht und sich eine dreidimensionale Hügel- und Tallandschaft ausbildet. Dies führt zu Bereichen hoher und niedriger Porosität innerhalb der Sinterschicht und somit zu einer Inhomogenität hinsichtlich der Materialeigenschaften. Diese Parameter spielen für die spätere Simulation eine entscheidende Rolle. Der Fehlermechanismus wird systematisch untersucht und dargestellt. Ebenfalls werden Phänomene bei Hochtemperaturauslagerung bei 180 °C beobachtet, die keine besonderen Veränderungen der Sinterschicht gegenüber Parametern wie der Porosität aufweisen. Die beiden verwendeten Halbleiter verfügen über eine unterschiedliche Oberflächenmetallisierung (Silber und Gold), was für die Gold (Au) Metallisierung zum Wachstum eines porenfreien Gebiets und darüber hinaus zur Ausbildung einer dünnen Kupferoxidschicht führt. Zudem werden in der Arbeit verschiedene Schädigungsparameter und Ansätze simulativ untersucht, um ein geeignetes Lebensdauermodell abzuleiten und den vorliegenden Fehlermechanismus abzubilden. Es werden klassische Ansätze wie die der akkumulierten plastischen Dehnung und Dehnungsenergiedichte pro Zyklus, Tri- und Multiaxialitätsfaktoren sowie die Modellierung inhomogener Sinterschichten, mit Hilfe verschiedener Materialmodelle untersucht. Ein neu entwickelter Ansatz wird letztlich vorgestellt, bei dem Daten aus den passiven Temperaturwechseln in Kombination mit der Beanspruchung aus der Simulation zu einem Lebensdauermodell zusammengefügt werden. Die Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit von Simulationen auf Mikrostrukturebene und die Limitierung der klassischen kontinuumsmechanischen Modellen. Als Eingangsparameter sind hierzu die Materialdaten und deren Charakterisierung von großer Bedeutung. Dabei werden maßgeblich die Versuchsdaten von Flachzugproben mit einer Dicke, vergleichbar der späteren Sinterschicht im Modul genutzt, da diese denselben Sinterprozess durchlaufen können und somit eine vergleichbare Mikrostruktur aufweisen. Zusätzlich werden erste Ergebnisse einer neu entwickelten Probe und deren Herstellungsprozess vorgestellt. Da es sich dabei um eine Rundzugprobe handelt, können an dieser in Zukunft umfangreiche Ermüdungsversuche in Zug-Druck-Richtung durchgeführt werden. Dies ist im Vergleich zu den herkömmlichen Ag-gesinterten Proben ein großer Vorteil, da Materialmodelle und Ermüdungsschädigungen am reinen Material untersucht werden können.

Open-cell ceramic foams are used in metal melt filtration processes to clean and calm the liquid melt. Due to the high temperatures and pressure of the melt, thermo-mechanical stresses occur in the filter structures, which require a corresponding evaluation of strength, deformation, and failure. The ceramic materials used no longer behave elastically and brittle at operating temperatures of up to 1650 ◦ C, but exhibit viscoplastic behavior. Experimental investigations of the deformation of filter structures during the filtration process are difficult or even impossible, which is why simulation methods are used to investigate the filtration process and the filter loading. The filters considered in this work are manufactured using a replica process in which a ceramic slurry is applied to an open-cell polyurethane foam, which is dried and fired in a thermal process. Real filter structures consist of a network of several thousand struts with varying geometries. Direct numerical simulation of these geometries is possible in principle, but it is very complex and expensive, which is why homogenization methods are used. Representative volume elements of the ceramic foams are generated and analyzed using the finite element method. The micro-macro relations determined in the process are mapped using corresponding continuum mechanical models. These models allow the evaluation of the thermo-mechanical behavior of filter materials and filter structures. This thesis provides a critical overview of methods for generating, characterizing, and homogenizing foam structures. The generation of realistic foam structures is carried out using various methods from the fields of mathematics and mechanics and is described in detail. Analytical and data-driven approaches are used for the actual homogenization. The analytical approaches use adaptations of continuum mechanical models from the field of granular media. The data-driven approaches use neural networks, which replace or supplement hard-to-describe thermodynamic potentials used in material modeling. Both approaches can be used in a developed general framework for the modeling of any porous structures. As a result of the research and modeling work carried out, generic and real foams are compared in terms of their topological and geometrical properties. It is discussed how local geometrical variations of foam structures affect the macroscopic behavior, considering different thermo-mechanical properties such as elasticity, viscoplasticity, and fracture strength. The developed homogenization concepts are compared with each other and with other concepts from the scientific literature and evaluated with respect to their accuracy, flexibility, and efficiency. Finally, possible further developments and applications are discussed.:1. Introduction 1.1. Motivation and objectives 1.2. Structure of the thesis 2. State of the art research 2.1. Integration of sub-project B05 into the CRC 920 2.2. Manufacture of open-cell foam structures 2.2.1. Schwartzwalder process 2.2.2. Additive manufacturing 2.2.3. Additional coatings 2.2.4. Bulk material properties 2.3. Characterization of open-cell foam structures 2.3.1. Topological and geometrical characteristics 2.3.2. Thermo-mechanical characteristics 2.3.3. Fluid dynamical characteristics 2.4. Modeling of open-cell foam structures 2.4.1. Geometrical models of foams 2.4.2. Direct numerical simulation 2.4.3. Homogenization approaches 2.4.4. Data-driven and machine-learning approaches 2.4.5. Constitutive models for open-cell foam structures 3. Modeling of open-porous ceramic foams 3.1. Foam surfaces of strut networks based on implicit functions 3.2. Sphere packings and Laguerre tessellations 3.3. Surface evolver, dry foams, wet foams, and foam froth 3.4. Voxel models and isosurfaces of foams 3.5. Finite element model 3.5.1. Models with structural elements 3.5.2. Unstructured tetrahedral meshes 3.5.3. Structured meshes 3.6. Generating foam structures using FoamGUI 3.7. Homogenized constitutive models 3.7.1. Scale bridging, meso and micro models 3.7.2. Effective elastic properties 3.7.3. Elastic limit surfaces 3.7.4. Effective yield surfaces 3.7.5. Modified Ehlers model 3.7.6. Constitutive model for viscoplastic behavior 3.7.7. Constitutive framework for plastic behavior 3.7.8. General return algorithm 3.7.9. Application to the phenomenological models 3.7.10. Hybrid models 3.7.11. Neural networks 3.7.12. Data sampling for the neural network training 3.7.13. Parameter identification for the modified Ehlers model 4. Results 4.1. Geometrical foam models 4.1.1. Foam models based on implicit functions 4.1.2. Foam models based on sphere packings 4.2. Effective thermo-mechanical properties 4.2.1. Geometry dependent elastic properties 4.2.2. Yield and failure surfaces 4.2.3. Fracture mechanical properties 4.2.4. Fracture mechanical properties for thermo-shock loading 4.2.5. Visco-plastic properties 4.2.6. Effective plastic properties 5. Conclusions & Discussion

Ferroelektroelastische Keramiken besitzen aufgrund ihrer elektromechanischen Koppeleigenschaften Bedeutung in der Sensorik und Aktuatorik. Zur Vorhersage der Bauteileigenschaften und Beurteilung der Bauteilfestigkeit werden Materialmodelle benötigt. In der vorliegenden Arbeit wird ein mehrachsiges, ratenunabhängiges Materialmodell für ferroelektroelastische Keramiken einschließlich der zur effizienten Lösung notwendigen numerischen Methoden ausgearbeitet. Dabei erfolgt die Einbeziehung von Ansätzen aus der makroskopischen phänomenologischen und mikroelektromechanischen phänomenologischen Modellierung. Das resultierende Materialmodell stellt einen Versuch dar, die Vorteile beider Betrachtungsweisen zu vereinen und trägt deshalb die Bezeichnung "hybrid". In einem ersten Beispiel wird gezeigt, dass das hybride Materialmodell die für Barium-Titanat-Keramiken experimentell beobachtete Materialantwort reproduzieren kann. In einem zweiten Beispiel erfolgt die Anwendung auf morphotrope PZT-Keramiken. Dabei wird die in jüngerer Vergangenheit entdeckte monokline Phase zusammen mit der elektronenmikroskopisch beobachteten hierarchischen Struktur von Mikro- und Nanodomänen in vereinfachter Weise berücksichtigt. Auf Grundlage der getroffenen Modellannahmen gelingt es, die experimentell gemessene makroskopische Materialantwort der morphotropen PZT-Keramik PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Deutschland) für ausgewählte Lastfälle mit guter Genauigkeit vorherzusagen. / Ferroelectroelastic ceramics are used in sensor and actuator applications due to their electromechanical coupling properties. In order to predict the behavior of components or to assess their strength, material models are required. In the present work, a multi-axial, rate-independent material model for ferroelectroelastic ceramics is elaborated. This includes the development of efficient numerical solution methods. By incorporating ideas from known macroscopic phenomenological and micro-electromechanical phenomenological models into the novel model, it is attempted to combine the advantages of both approaches. In a first example, it is shown that the hybrid model can reproduce the experimentally observed material response of barium titanate ceramics. In a second example, the model is applied to morphotropic PZT ceramics. In this context, the recently discovered monoclinic phase as well as the hierarchical structure of micro-domains and nano-domains observed by means of electron microscopy are taken into account in a simplified way. Based on the assumptions made, the experimentally measured material response of the morphotropic PZT ceramic PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Germany) is predicted with reasonable accuracy for selected load cases.

simulationsunterstützte Weiterentwicklung eines Produktes mit dem Ziel der Material- sowie Energieeinsparung während des Herstellungsprozesses; konstruktive und simulative Optimierung des Kunststoff-Spritzgieß-Bauteils (Gewichtsreduktion, Einsparung von Zykluszeit) bei gleichzeitigem Erhalt der Funktion und mechanischen Eigenschaften; durch gekoppelte Simulation des Herstellungsprozesses und der Strukturmechanik konnten Herstellungskosten, Materialkosten sowie der Energieaufwand im Herstellungsprozess deutlich reduziert werden. / Simulation-supported further development of a product with the aim of saving material and energy during the manufacturing process; constructive and simulative optimisation of the plastic injection moulding component (weight reduction, saving of cycle time) while at the same time maintaining the function and mechanical properties; through coupled simulation of the manufacturing process and the structural mechanics, manufacturing costs, material costs and the energy input in the manufacturing process could be significantly reduced.

Ferroelektroelastische Keramiken besitzen aufgrund ihrer elektromechanischen Koppeleigenschaften Bedeutung in der Sensorik und Aktuatorik. Zur Vorhersage der Bauteileigenschaften und Beurteilung der Bauteilfestigkeit werden Materialmodelle benötigt. In der vorliegenden Arbeit wird ein mehrachsiges, ratenunabhängiges Materialmodell für ferroelektroelastische Keramiken einschließlich der zur effizienten Lösung notwendigen numerischen Methoden ausgearbeitet. Dabei erfolgt die Einbeziehung von Ansätzen aus der makroskopischen phänomenologischen und mikroelektromechanischen phänomenologischen Modellierung. Das resultierende Materialmodell stellt einen Versuch dar, die Vorteile beider Betrachtungsweisen zu vereinen und trägt deshalb die Bezeichnung "hybrid". In einem ersten Beispiel wird gezeigt, dass das hybride Materialmodell die für Barium-Titanat-Keramiken experimentell beobachtete Materialantwort reproduzieren kann. In einem zweiten Beispiel erfolgt die Anwendung auf morphotrope PZT-Keramiken. Dabei wird die in jüngerer Vergangenheit entdeckte monokline Phase zusammen mit der elektronenmikroskopisch beobachteten hierarchischen Struktur von Mikro- und Nanodomänen in vereinfachter Weise berücksichtigt. Auf Grundlage der getroffenen Modellannahmen gelingt es, die experimentell gemessene makroskopische Materialantwort der morphotropen PZT-Keramik PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Deutschland) für ausgewählte Lastfälle mit guter Genauigkeit vorherzusagen. / Ferroelectroelastic ceramics are used in sensor and actuator applications due to their electromechanical coupling properties. In order to predict the behavior of components or to assess their strength, material models are required. In the present work, a multi-axial, rate-independent material model for ferroelectroelastic ceramics is elaborated. This includes the development of efficient numerical solution methods. By incorporating ideas from known macroscopic phenomenological and micro-electromechanical phenomenological models into the novel model, it is attempted to combine the advantages of both approaches. In a first example, it is shown that the hybrid model can reproduce the experimentally observed material response of barium titanate ceramics. In a second example, the model is applied to morphotropic PZT ceramics. In this context, the recently discovered monoclinic phase as well as the hierarchical structure of micro-domains and nano-domains observed by means of electron microscopy are taken into account in a simplified way. Based on the assumptions made, the experimentally measured material response of the morphotropic PZT ceramic PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Germany) is predicted with reasonable accuracy for selected load cases.

Die Herstellung hochwertiger flächenhafter Werkstoffe durch Beschichten geeigneter Substrate ist eine permanente Herausforderung für die Materialentwicklung in dieser Branche. Solche Materialien einschließlich ihrer Oberflächen werden mit immer komplexeren Funktionalitäten ausgestattet, um den spezifischen Anforderungen für Anwendungen in der Medizintechnik, bei der Fahrzeugausstattung oder als technische Textilien zu entsprechen. Dabei muss sich die Kunststoffbahnenindustrie zunehmend mit den Chancen der additiven Fertigung sowie den Anforderungen der Industrie 4.0 auseinandersetzen. Der 13. Freiberger Polymertag wird neue technische Entwicklungen bei Rohstoffen und Technologien sowie grundlagenorientierte Forschungsergebnisse zur wissenschaftlichen Diskussion stellen. Unter anderem werden Polymere und Additive für funktionale Beschichtungen, die additive Fertigung mit synthetischen und natürlichen Polymeren und dünne funktionale Schichten einschließlich nanoskaliger Strukturen, vorgestellt werden. In bewährter Weise soll unsere Fachtagung wieder ein Forum bieten, um Erfahrungen und Wissen auszutauschen, neue Lösungsansätze zu diskutieren und Kontakte zu pflegen.

Während heutzutage zuverlässige Simulationsmodelle zur Beschreibung der Verbundsteifigkeit kurzfaserverstärkter, thermoplastischer Kunststoffe existieren, bietet der Stand der Technik kein robustes Materialmodell zur Beschreibung der Verbunddämpfung. Zur Beschreibung der Verbunddämpfung werden einfache Ersatzmodelle genutzt, welche iterativ angepasst werden. Zur zuverlässigen Prognose vom Übertragungsverhalten des Körperschalls von Kunststoffkomponenten in der Simulation ist dies nicht ausreichend. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode zur Prognose der Strukturdynamik von Kunststoffkomponenten im Motor-Getriebe-Verbund vorgestellt. Dabei wird das Arbitrary-Reconsidered-Double-Inclusion (ARDI) Modell zur Beschreibung der Verbunddämpfung dargestellt. Dieses basiert auf einer Homogenisierung aus den Dämpfungen der Matrix, Fasern und Interphasen als kristalliner Bereich zwischen Faser und Matrix. Die Interphasendämpfung wird im Abgleich zwischen Experimenten und Simulationen invers bestimmt. Unter der Berücksichtigung rekonstruierter Faserverteilungsfunktionen werden Materialdatenbanken bestehend aus Verbundsteifigkeiten und Verbunddämpfungen erzeugt. Die Berechnung der numerischen Faserorientierung erlaubt die richtungsabhängige Beschreibung der linearen Viskoelastizität in der strukturdynamischen Simulation. Anhand experimenteller und simulativer Untersuchungen von Proben und Komponenten wird in Abhängigkeit des Matrixwerkstoffes, Fasergehaltes, der Faserorientierung, Temperatur und Feuchtigkeit eine Verifizierung des entwickelten Materialmodells durchgeführt. Die Untersuchungen an Proben und Komponenten zeigen, dass das ARDI-Materialmodell im Vergleich zum Stand der Technik eine verbesserte Beschreibung der Verbunddämpfung kurzfaserverstärkter, teilkristalliner Thermoplaste gewährleistet. Dies ist in der Berücksichtigung der Dämpfung der Interphasen begründet. Dadurch wird die Prognosegüte der Amplituden der Übertragungsfunktionen von den strukturdynamischen Simulationen zuverlässig. Demgegenüber zeigt die Simulation der Strukturdynamik unter Anregung durch Betriebsschwingungen, dass ausschließlich der Einfluss der Verbunddämpfung der Kunststoffkomponente im Vergleich zur gesamten Dämpfung des Motor-Getriebe-Verbundes bewertbar ist.

Diese Arbeit untersucht ein einachsiges Materialmodell nach Downing zur Beschreibungdes zyklischen Spannungs-Dehnungsverhalten von Grauguss. Das Modell unterteilt die Gesamtantwort in eine symmetrisch elastisch-plastische Komponente der Metallmatrix und in zwei nichtlinear elastische Anteile, die das Verhalten der Graphitphase im Inneren und an der Oberfläche beschreiben. Das statische und transiente Materialverhalten wurde experimentell quantitativ bestimmt. Auf der Grundlage der Versuchsergebnissen wird das Modell für GJL-200 und GJL-300 überprüft und parametrisiert. Ein Algorithmus zur rechentechnischen Implementierung wird vorgeschlagen und die Simulationsergebnisse mit den Versuchsdaten verglichen. Abschließend wurde das Modell um den Einfluss der Schädigung durch Mikrorisswachstum erweitert und den Versuchsdaten gegenübergestellt. / This thesis investigates an uniaxial model by Downing for cyclic stress-strain response of gray cast iron. The model seperates overall material response into a symmetrical elastic/plastic bulk response and two nonlinear elastic components to account for the behaviour of the graphite phase. Based on experimental data the model is validate and parameterized for GJL-200 and GJL-300. An algorithm suitable for computerization is presented and simulation results are compared to experimental data. Finally the model is extended to include damage due to the effects of micro crack growth and compared to experimental data.

Das Promotionsthema war die numerische Untersuchung des Einflusses der mechanisch induzierten martensitischen Phasenumwandlung auf das Bruchverhalten hochlegierter TRIP-Stähle. Die Analyse der Spannungsfelder vor einer abstumpfenden Rissspitze hat ergeben, dass die Phasenumwandlung zu höheren rissöffnenden Spannungen führt. Außerdem wurden charakteristische Spannungsverläufe mit Wendepunkten beobachtet. Für duktiles Versagen wurde ein positiver Einfluss der Phasenumwandlung geschlussfolgert, da die umwandlungsinduzierte Verfestigung das Porenwachstum in der Bruchprozesszone erschwert. Dies wurde an Hand mikromechanischer Simulationen der duktilen Rissausbreitung demonstriert. Im Rahmen der Theorie materieller Kräfte konnte eine abschirmende Wirkung des TRIP-Effekts auf die Rissspitze nachgewiesen werden. Durch Phasenumwandlung wird Arbeit dissipiert, die nicht mehr für Rissfortschritt verfügbar ist. Die energetische Triebkraft für Risswachstum wird demzufolge reduziert. Die Rissausbreitung im TRIP-Stahl wurde mit einer Kohäsivzone modelliert. Die Parameter des Kohäsivzonenmodells charakterisieren den Bruchprozess und konnten unter Verwendung experimenteller Daten identifiziert werden. Um zukünftig die Rolle der Phasenumwandlung bei Ermüdungsrisswachstum untersuchen zu können, wurde ein Materialmodell für TRIP-Stähle unter zyklischer Beanspruchung entwickelt. Die erforderlichen Materialparameter wurden mit Hilfe der Daten aus Wechselverformungsversuchen bestimmt. / This thesis is focused on the numerical investigation of the fracture behavior of high alloy austenitic TRIP-steels and especially on the effect of mechanically induced martensitic phase transformation. The analysis of stress fields in front of a blunting crack tip has shown that phase transformation leads to higher crack opening stresses. Additionally, characteristic courses of the stress components with inflection points were observed. A positive influence of phase transformation on ductile fracture was concluded, because transformation induced hardening retards void growth in the fracture process zone. This was demonstrated by micromechanical simulations of ductile crack extension. In order to investigate the shielding effect of phase transformation on the crack tip, the theory of material forces was applied. Mechanical work is dissipated due to the TRIP-effect, which is no longer available for crack growth. Hence, the energetic driving force for fracture is reduced. Furthermore, crack extension is modeled with a cohesive zone. The parameters of the cohesive zone model, which characterize the fracture process, are identified based on experimental data. In future work the role of phase transformation during fatigue crack growth should by studied. Therefore, a material model for TRIP-steels under cyclic loading was developed. The associated material parameters were estimated based on the results of cyclic deformation experiments.