Experimental investigation and numerical simulation of the material and damage behaviour of 3D printed polyamide 12 under quasi-static and cyclic loading
| Autor: | Schob, Daniela |
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| Jazyk: | němčina |
| Rok vydání: | 2023 |
| Předmět: | |
| Popis: | Für Polymerbauteile hat sich in der industriellen Anwendung das pulverbettbasierte selektive Lasersintern etabliert. Durch den schichtweisen Aufbau können hochkomplexe Geometrien fügestellenfrei gefertigt und Funktionen direkt bei der Fertigung integriert werden. Durch fertigungstechnologische Grenzen sind additiv gefertigte Bauteile jedoch noch nicht auf dem Niveau von konventionell hergestellten und stehen vor der großen Herausforderung als Konstruktionswerkstoff Anwendung zu finden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung eines Berechnungsmodells für additiv gefertigtes Polyamid 12, das das Material- und Schädigungsverhalten unter quasistatischen und zyklischen Beanspruchungen abbildet, unter Berücksichtigung der fertigungstechnologischen Gegebenheiten. Die vorliegende Dissertationsschrift widmet sich dabei zunächst einer systematischen experimentellen Materialcharakterisierung. Den Grundbaustein dafür bildet die Materialklassifizierung in Abhängigkeit der Gleichgewichtszustände, gefolgt von quasistatischen und zyklischen Versuchen. Um Kenntnisse über das Materialgefüge zu erlangen, werden die Untersuchungen durch Mikrostrukturanalysen mittels Refraktions- und Computertomographie-Untersuchungen ergänzt. Auf dieser Grundlage folgt die phänomenologische Materialmodellierung, mit dem Fokus auf die elastisch-viskoplastische Materialtheorie und der Kopplung mit einem Modell der Schädigungsmechanik. Die Basis liefern Modellierungsansätze, die bisher zumeist für metallische Werkstoffe Anwendung fanden und in der vorliegenden Arbeit adaptiert und weiterentwickelt werden. Die Umsetzung durch ein Konstitutivmodell umfasst isotrope und kinematische Verfestigung sowie statische und dynamische Erholung. Für die Prognose des Schädigungsverhaltens werden Porenwachstum, -nukleation sowie Kolaeszenz beachtet. Die Modellparameter werden mittels Sensitivitätsanalyse und Optimierung anhand der Versuchsdaten des Polyamid 12 identifiziert und validiert. Die Verifikation des entwickelten Berechnungsmodells mit Versuchen, die nicht für die Parameteridentifizierung verwendet werden, zeigt, dass das reale Material- und Schädigungsverhalten von Polyamid 12 mit hoher Genauigkeit abgebildet wird. For industrial applications powder bed-based selective laser sintering has been established to produce polymer components. Applying a layer-by-layer structure, highly complex geometries can be manufactured without joints, and functions can be integrated directly during the production process. However, due to the limitations of manufacturing technoligies, the material properties of additively produced components have not yet reached the same level as the property of conventionally manufactured. Therefore, the question arises whether these components can be applied as construction material. The thesis takes up this issue and introduces the development and application of a calculation model for additively manufactured polyamide 12. The model maps the material and damage behaviour under quasi-static and cyclic loads while considering the manufacturing circumstances. Whereas initially this dissertation will systematically experimentally characterize the material by classifying it depending on its equilibrium condition, it then will present the results of quasi-static and cyclic tests. In order to gain knowledge about the material structure, the studies are supplemented by microstructure analysis using refraction and computer tomography examinations. On this basis phenomenological material modelling will follow with focus on the elasticviscoplastic material theory and on coupling with a model of damage mechanics. The source for this modelling is provided by approaches which have mostly been used for metallic materials so far, and which are adapted and enhanced in the present work. The implementation by using a constitutive model includes isotropic and kinematic hardening as well as static and dynamic recovery. For the prediction of the damage behaviour pores, pore growth, pore nucleation and colaescence are being considered. The model parameters are identified and validated by means of sensitivity analysis and optimization based on the test data of polyamide 12. The verification of the developed calculation model with tests that are not used for the parameter identification shows that the realistic material and damage behaviour of polyamide 12 can be mapped with high accuracy. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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