Institutsleitung: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Alexander Lion

Wissenschaftliche Schwerpunkte

Das Institut hat jahrzehntelange Erfahrungen mit der Charakterisierung sowie der Modellierung von Polymeren (Kunstoffen) für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen. Zur Werkstoffcharakterisierung stehen hochmoderne Labore mit umfangreicher Ausstattung zur Verfügung. Um das Verhalten von Werkstoffen über kurze und lange Zeitskalen beschreiben zu können, werden multiphysikalische Materialmodelle entwickelt, identifiziert und implementiert. Oft ist es erforderlich, gewohnte Wege in der Materialtheorie zu verlassen.

Auf dem Gebiet der Fahrzeugsimulation arbeitet das Institut mit namhaften Fahrzeugherstellern zusammen und führt wissenschaftlich/technische Forschungsprojekte durch.

Laufende Forschungsprojekte

Traction on Demand

Projektbeschreibung:
Ziel des Projektes ist es, mithilfe numerischer Simulationsverfahren und messtechnischer Methoden neue Antriebskonzepte und -module für Nutzfahrzeuge zu untersuchen und zu entwickeln. Sie sollen es erlauben, die Bandbreite aktueller Antriebskonzepte im Sinne einer bedarfsgerechten Traktionserzeugung bei On- und Off-Road-Einsätzen zu erweitern. Antriebskonzepte, die als Unterstützung im Gelände und künftig auch als Alternativantrieb in urbanen Räumen fungieren können, stehen im Zentrum. 
 
Drittmittelgeber: Bayerische Forschungsstiftung

Methodenentwicklung zum Schiefziehverhalten von Personenkraftfahrzeugen bei Bremsvorgängen

Projektbeschreibung:
Werden Personenkraftfahrzeuge in Geradeausfahrt bei fixiertem Lenkrad aus moderater Geschwindigkeit abgebremst, so kann auf einer homogenen und ebenen Straßenoberfläche ein Querversatz des Fahrzeugs auftreten. Je nachdem ob Vorzeichen und Größe des Querversatzes bei mehreren Bremsvorgängen streuen oder ob immer nur ein bestimmtes Vorzeichen auftritt, kann die Ursache ein Verzweigungsproblem oder eine Asymmetrie des Fahrzeugs sein. Beispielsweise führt eine nichtsymmetrische Beladung neben einer Asymmetrie der statischen Radlasten zu einem statischen Wankwinkel. Daneben sind zahlreiche andere Ursachen denkbar, wie z.B. Streuungen der mechanischen Eigenschaften der Fahrwerkslager oder der Reibeigenschaften der Bremsbeläge. Das Ziel des Projektes besteht darin, die Ursachen des Schiefziehens zu erforschen und zu quantifizieren und ggf. Abhilfemaßnahmen vorzuschlagen.
 
Drittmittelgeber: Daimler AG

Einfluss synthetischer Kraftstoffe auf elastomere Werkstoffe

Projektbeschreibung:
Literaturrecherche, Darstellung des Standes der Forschung, Durchführung von Lagerungsversuchen zur Ermittlung des Einflusses synthetischer Kraftstoffe auf Elastomere, detaillierte chemisch-analytische Charakterisierung der synthetischen Kraftstoffe, Untersuchung der Zusammensetzung der Elastomere vor und nach der Lagerung, Untersuchung des Kraftstoffeinflusses auf das Quellverhalten und mechanische Verhalten der Elastomere, Entwicklung chemisch-analytischer Methoden zur Bestimmung des Anteils synthetischer Komponenten in Kraftstoffgemischen, Vorhersage der Kraftstoffeigenschaften.
 
Drittmittelgeber: Bundesministerium für Verteidigung (BMVg)

Thermo-hygro-mechanische Charakterisierung und kontinuumsmechanische Modellierung schnell härtender Polyurethan-Klebstoffe

Projektbeschreibung:
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die experimentelle Charakterisierung und kontinuumsmechanische Mo-dellierung eines schnell aushärtbaren Polyurethan-Klebstoffes unter Berücksichti-gung von Zeitabhängigkeitenund Inhomogenitäten mit dem Ziel der Optimierung des Aushärtepro-zesses. Hierzu müssen einerseits neue experimentelle Techniken und andererseits neue kontinuumsmechanische Materialmodelle entwickelt werden.Die Validierung wird auf Basis des in ein Finite-Elemente Programm implementierten Materialmodells anhand von schnell ausgehärteten Zugscherproben in praxisrelevanten Mischbauweisen durchgeführt.
 
Drittmittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)

Kontinuumsmechanische Modellierung des prozessabhängigen kalorischen und thermomechanischen Verhaltens teilkristalliner Polymere

Projektbeschreibung:
Das Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der phänomenologischen und mikromechanischen Modellierung des prozessabhängigen Verhaltens teilkristalliner Polymerwerkstoffe unter thermischen und volumetrischen Belastungen und verfolgt zwei Ziele: Darstellung der Kristallisation sowie des Schmelzens eines teilkristallinen Modellpolymers in Abhängigkeit von den Prozessvariablen Temperatur und Druck bzw. Volumen auf Basis einer konsistenten experimentellen Datenbasis im Rahmen der phänomenologischen Kontinuumsthermomechanik mit inneren Variablen. Mikromechanische Modellierung des Schmelzens und der Kristallisation. Die Kinetik der Kristallisation soll anhand eines vereinfachten Mikrostrukturmodells untersucht werden, das ein quantitatives Verständnis der Kristallisation, ausgehend von einem ortsaufgelösten Modell mit beweglichen Phasengrenzen erlaubt. Die beiden zu entwickelnden Materialmodelle stellen erste Bausteine innerhalb einer komplexeren Modellierungsstrategie dar, die über dieses Projekt hinausgeht. Eine wesentliche Grundlage für die Modellbildung sind experimentelle Untersuchungen an einem Modellpolymer hinsichtlich Kalorimetrie und Thermomechanik.
 
Drittmittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)

Drehschwingsimulation

Projektbeschreibung:
Einarbeitung; Entwicklung von Matlab- und MKS-Modellen zur Antriebsstrangsimulation von schweren Nutzfahrzeugen unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten (Reibung, Dämpfung, Elastomerlager, deformierbare Bauteile); Abgleiche mit Versuchsergebnissen aus dem Unternehmen; Dokumentation der Methoden und Ergebnisse.
 
Drittmittelgeber: MAN Truck & Bus AG

Erfassung, Simulation und Bewertung der thermomechanischen Schädigungsmechanismen von Elastomerbauteilen unter dynamischen Beanspruchungen II / ELASTO-OPT II

Projektbeschreibung:
Motivation für den Forschungsantrag ist, den ständig steigenden Kosten beim Produktentstehungsprozess von Elastomerlagern ein Verfahren zur numerischen Bewertung des Temperatureinflusses auf die Betriebsfestigkeit der Bauteile entgegenzustellen und somit eine effizientere Vorauslegung in diesem Punkt zu ermöglichen. Die wirtschaftliche Relevanz für klein und mittelständischen Unternehmen (KMU) ist insofern gegeben, als das diese an vielen Stellen des Produktentstehungsprozesses von Elastomerlagern eine hohe Wertschöpfung haben.
 
Drittmittelgeber: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AIF)

Abgeschlossene Forschungsprojekte

Experimentelle Untersuchungen zum Lebensdauerverhalten von Elastomerbauteilen

Projektbeschreibung:
Der Auftraggeber ist in einem derzeit laufenden Projekt (AUDI) involviert und wünscht eine Fortführung des erfolgreichen Projektes. Speziell geht es um die Durchführung und Validierung von Experimenten zur Lebensdauerabschätzung von Elastomeren.
 
Drittmittelgeber: Boge Elastmetall GmbH

Experimentell gestützte Modellierung der chemo-thermomechanischen Alterung von Elastomeren

Projektbeschreibung:
Kunststoffe und die aus solchen Werkstoffen konstruierten Bauteile haben enorme Bedeutung für industrielle Anwendungen, wie z.B. Lager, Dichtungen, Klebungen und Beschichtungen. Da die aufgezählten Bauteile in ihren Einsatzbereichen verschiedensten Umwelteinflüssen, Temperaturprofilen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, verändern sich ihre Eigenschaften mit der Zeit, was zu einer begrenzten Lebensdauer/Einsatzdauer führt. Um diesen Zeitraum in Zukunft abschätzen zu können, besteht großes Interesse an Simulationsmethoden, die Lebensdauerprognosen unter Berücksichtigung komplexer Langzeitbeanspruchung ermöglichen. Hier setzt das beantragte Projekt an. In diesem Vorhaben geht es um die Modellierung der chemo-thermomechanischen Alterung von Elastomeren. Dieses Phänomen gehört zu den irreversiblen Alterungsprozessen. In einen Festkörper diffundiert ein anderes Medium hinein und löst nach einer gewissen Zeit, der Initialisierungsphase, eine chemische Reaktion mit dem Festkörper aus. Dieser Prozess ist bei Bauteilen endlicher Dicke inhomogen und kann thermisch aktiviert werden, d.h. eine Erhöhung der Temperatur bewirkt eine Beschleunigung des Alterungsprozesses. Aufbauend auf diesen Kenntnissen sollen experimentelle Alterungsuntersuchungen an Nitrilkautschuk (NBR) durchgeführt werden. Da dieses Material häufig für Dichtungen eingesetzt wird, sollen Mineralöle bei verschiedenen konstanten Temperaturen als Umgebungsmedien dienen. Der Aufbau der experimentellen Datenbasis erfolgt zum Einen durch Verwendung von Proben im Labormaßstab, aber zum Anderen auch durch Proben mit endlichen Abmessungen, um inhomogene Diffusions-Reaktionsprozesse zu erfassen. Dazu wird das NBR bei konstanten Temperaturen einer Reihe von mechanischen, kalorimetrischen, chemoanalytischen und spektroskopischen Untersuchungen unterzogen. Der damit gewonnene Datensatz dient dem Aufbau und der Anpassung eines zu entwickelnden chemomechanisch gekoppelten Materialmodells, welches neben den für Elastomere typischen viskoelastischen Materialeigenschaften zusätzlich das Diffusions-Reaktionsverhalten des Festkörpers mit dem Umgebungsmedium erfasst, Quellprozesse berücksichtigt sowie chemische Abbau- und Aufbauprozesse im polymeren Netzwerk beschreiben kann. Zur Validierung soll mit dem fertig gestellten Modell ein typischer Alterungsprozess eines geeigneten Bauteiles simuliert werden.
 
Drittmittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

Kontinuumsmechanische Modellierung der physikalischen Alterung von Polymerschichten im Glasübergangsbereich

Projektbeschreibung:
Das Ziel des Vorhabens besteht darin, ein kontinuumsmechanisches Materialmodell zu entwickeln, zu identifizieren und in ein Finite Elemente Programm zu implementieren, mit dem sich das physikalische Alterungsverhalten von auf Metallsubstrate applizierten Polymerschichten ingenieurmäßig simulieren lässt ohne mikroskopische Prozesse im Detail aufzulösen.
 
Drittmittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

Thermomechanische Schädigungsmechanismen Elasto-Opt

Projektbeschreibung:
Erfassung, Simulation und Bewertung der thermomechanischen Schädigungsmechanismen von Elastomerbauteilen unter ein- und mehraxialen dynamischen mechanischen Beanspruchungen. 
 
Drittmittelgeber: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF)

Körperschallinduzierte Phänomene in vordeformierten Elastomerbauteilen

Projektbeschreibung:
Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, dass körperschallinduzierte Verhalten von dynamisch angeregten, statisch vordeformierten Elastomerbauteilen unter Einbeziehung von Kontinuumsschwingungen im Frequenzbereich zu simulieren. Um dieses Ziel zu erreichen, muss ein aussagekräftiges Modell auf dem Fundament einer breiten experimentellen Datenbasis sukzessive aufgebaut, angepasst und validiert werden. Zunächst wird das Materialverhalten von Elastomerproben unter kombinierten Beanspruchungen experimentell untersucht. Diese bestehen aus statischen Vorlasten, denen harmonische Deformationen mit sehr kleinen Amplituden bei unterschiedlichen Frequenzen überlagert sind. Basierend auf diesen Daten wird ein Modell der nichtlinearen Viskoelastizität entwickelt. Zur Auswertung und Parameteridentifikation wird es um eine als Parameter vorgegebene dreidimensionale Vordeformation geometrisch linearisiert und in den Frequenzbereich transformiert. Diese, von der Vordeformation abhängige, Frequenzbereichsformulierung wird in ein Finite-Elemente Programm implementiert. Die Validierung findet auf Basis von gemessenen und simulierten Übertragungsfunktionen von geometrisch einfachen Elastomer-Metall Strukturen statt. Eine Kopplung der Strukturschwingungen an die Umgebungsluft ist in diesem Projekt nicht vorgesehen.
 
Drittmittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

Modellierung und Simulation der minimal invasiven Injektion von akrylischen Knochenzementen in osteoporotisch geschädigte Wirbelkörper innerhalb der Vertebroplastie

Projektbeschreibung:
Das vorliegende Projekt ist Bestandteil des Paketantrages „Numerische Simulation komplexer Vorgänge bei Verfahren zur minimal invasiven Stabilisierung von osteoporotischen Wirbelkörpern“. Das Ziel des Gesamtvorhabens ist die modellbasierte Untersuchung des minimal invasiven Eingriffs zur Stabilisierung osteoporotisch geschädigter Wirbelkörper (Vertebroplasie) und die Analyse der damit verbundenen, in der Praxis auftretenden Komplikationen. Die klinische Relevanz besteht in einer Vergrößerung der Sicherheit des Operationsvorganges und der Möglichkeit, Modifikationen der Operationsmethoden und –techniken in der Simulation auf ihre Wirksamkeit hin zu untersuchen und durch ein verbessertes Verständnis der physikalischen Vorgänge gezielt zu entwickeln. Dies wird durch eine umfassende numerische Modellierung der dabei ablaufenden Prozesse mittels der Methode der Finiten Elemente und Finiten Volumen, basierend auf einer thermomechanisch-chemisch gekoppelten Materialmodellierung zur Abbildung des injizierten Materials erreicht.
 
Drittmittelgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

weitere abgeschlossene Forschungsprojekte

  • Experimentelle Untersuchungen der thermomechanisch chemischen Alterung von rußgefüllten Elastomerwerkstoffen
  • Methodenentwicklung zur Simulation und Bewertung fertigungs- und betriebsbedingter Klebschichtschädigung infolge Temperaturwechselbeanspruchung, AiF-Projekt
  • Thermomechanische Beschreibung der Fluiddiffusion in Festkörper
  • Kontinuumsmechanische Beschreibung von Aushärteprozessen
  • Untersuchung und Modellierung von Alterungsvorgängen bei Elastomeren
  • Modellierung des vibroakustischen Transferverhaltens von Elastomeren unter Vorlast
  • Transiente Dynamik des Payne-Effektes: Experimente, kontinuumsmechanische Modellbildung und Finite-Elemente-Implementierung, DFG Projekt
  • Wechselwirkung zwischen viskoelastischen Fluiden und porösen Festkörpern