Materialdatenermittlung thermoplastischer Kunststoffe für Körperschallsimulationen auf Basis von Reverse Engineering

Kunststoffe werden zunehmend in technischen Bereichen sowie zur Substitution von Metallbauteilen eingesetzt, weshalb der Bauteilauslegung generell eine steigende Bedeutung zukommt. Dies schließt die akustischen Bauteileigenschaften und insbesondere das Körperschallverhalten ein. Wesentliche Gründe sind, dass die maximal zulässige Schallabstrahlung von Produkten durch gesetzliche Bestimmungen mehr und mehr begrenzt wird und das akustische Verhalten darüber hinaus ein wichtiges Qualitätsmerkmal für den Kunden darstellt. Für die Auslegung von Kunststoffbauteilen haben sich rechnergestützte Methoden wie die Finite Elemente Methode (FEM) etabliert. Zur werkstoffgerechten Beschreibung des Körperschallverhaltens von Kunststoffen werden dazu Daten über die frequenzabhängigen Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften benötigt, die meist in Form komplexer Moduln dargestellt werden. Das konventionelle Vorgehen zur Ermittlung dieser Daten beruht auf Versuchen mit Hilfe der Dynamisch-Mechanischen Analyse (DMA) in Verbindung mit der Zeit/Temperatur-Verschiebung (ZTV). Diese Methode weist allerdings deutliche Nachteile auf. Die Anwendung der ZTV auf komplexe Moduln ist aufgrund thermorheologisch komplexer
Anteile im Materialverhalten von Thermoplasten nur bedingt zulässig. Darüber hinaus erfordert dieses Vorgehen einen hohen Versuchs-, Zeit- und Auswertungsaufwand und ist daher sehr kostenintensiv.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine aufwandsoptimierte Methode zur Materialdatenermittlung für Körperschallsimulationen auf Basis von Reverse Engineering entwickelt, implementiert und validiert. Mit dieser Methode werden frequenzabhängige Materialdaten direkt im für die Körperschallsimulation relevanten Frequenzbereich bis zu mehreren 1000 Hz ermittelt. Auf Extrapolationsverfahren wie z. B. die ZTV wird vollständig verzichtet. Zur Anwendung der Methode wird zunächst ein einfacher Referenzversuch auf einem Körperschallprüfstand durchgeführt und in einer Körperschallsimulation nachgestellt. Anschließend werden die der Simulation zugrunde liegenden Materialparameter derart optimiert, dass die Berechnung das gemessene Verhalten sehr genau wiedergibt. Die damit ermittelten Kennwerte lassen sich für Körperschallsimulationen beliebiger Geometrien verwenden. Die entwickelte Methode wird auf die vier verschiedenen Werkstoffe Polycarbonat, Polypropylen, Polyoxymethylen und Polyamid 6 angewendet. Die so ermittelten optimierten Materialdaten werden für Körperschallsimulationen unterschiedlich komplexer Bauteile verwendet. Durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit Körperschallmessungen wird die Methode abschließend validiert.