Einsatz atomistischer Simulationen zur Bewertung des Medieneinflusses auf die Eigenschaften thermoplastischer Kunststoffe

Kunststoffe eignen sich aufgrund ihres vielfältigen Eigenschaftsspektrums für eine Vielzahl technischer Anwendungen. Hierbei kommen Kunststoffbauteile häufig mit Umgebungsmedien in Kontakt, welche das inhärente Eigenschaftsprofil des Bauteils signifikant reduzieren können. Eine Integration des Medieneinflusses innerhalb der Bauteilauslegung ist aktuell nicht oder nur unzureichend möglich.
Die Interaktion eines Kunststoffs mit einem Umgebungsmedium findet hauptsächlich auf einer deutlich kleineren Skala statt, als dies innerhalb der Bauteilauslegung berücksichtigt wird. In der vorliegenden Arbeit wird die Integration von Simulationstechniken auf niedrigeren Skalen in den Entwicklungsprozess eines Bauteils geprüft. Der Fokus liegt hierbei auf den atomistischen Simulationen. Die Eignung atomistischer Simulationen innerhalb der Bauteilauslegung wird anhand von drei Anwendungen untersucht, welche sich sowohl von der Art des Kunststoffs als auch von der Eigenschaftsänderung durch das Medium sowie von den zu berücksichtigenden Skalen innerhalb der Bauteilauslegung unterscheiden.
Im ersten Anwendungsfall wird die Eignung atomistischer Simulationen zur Vorhersage des Risikos der Spannungsrissbildung amorpher Thermoplaste unter Medieneinfluss geprüft. Eine Abbildung des Medieneinflusses mithilfe atomistischer Simulationen ist prinzipiell möglich. Für eine präzise quantitative Vorhersage des Risikos ist jedoch eine quantitative Struktur-Wirkungs-Beziehung und eine Erweiterung der Datengrundlage notwendig.
Im zweiten Anwendungsfall wird der Einsatz atomistischer Simulationen zur Modellierung der mechanischen Eigenschaften von kurzglasfaserverstärkten amorphen Thermoplasten überprüft. Es wird ein integrativer Multiskalen-Simulationsansatz genutzt, welcher zudem die Fasereigenschaften und -orientierung in die Bauteilmodellierung integriert. Insgesamt zeigt sich eine gute Abbildungsgenauigkeit der Modellierung des Bauteilverhaltens, welche jedoch durch die Verwendung eines geeigneteren makroskaligen Materialmodells optimiert werden könnte.
Im dritten Anwendungsfall wird der Einsatz atomistischer Simulationen zur Modellierung der mechanischen Eigenschaften teilkristalliner Thermoplaste unter Medieneinfluss am Beispiel von Polyamid 6.6 und Wasser geprüft. Auch hier wird ein integrativer Multiskalen-Simulationsansatz aufgebaut. Es resultiert eine sehr gute Abbildungsgenauigkeit, welche ebenfalls durch geeignetere makroskalige Materialmodelle weiter verbessert werden könnte.
Insgesamt zeigt sich die Eignung atomistischer Simulationen zur Modellierung des Medieneinflusses auf die Eigenschaften polymerer Werkstoffe. Zur Erhöhung der Abbildungsgenauigkeit sind modellierungstechnische Erweiterungen notwendig, welche spezifisch für die jeweilige Anwendung in der vorliegenden Arbeit aufgezeigt werden.