Grundlegende Materialmodelle für die FEM-Berechnung

Für die Festigkeitsberechnung von Kunststoff und Holz müssen zuerst Versagenskriterien festgelegt werden. Hierfür müssen entweder entsprechende Normen und Regelwerke zur Einschätzung der Festigkeit herangezogen, oder die entsprechenden Materialdaten durch Zugversuche ermittelt werden. Zur Definition von Versagen für Holz wurde auf die DIN EN 338 zurück gegriffen. Für die verwendeten 3D-Druck- Kunststoffe wurden hingegen die Materialdaten durch Zugproben nach ISO 527BA für verschieden Probenorientierungen im Bauraum ermittelt. Festigkeitsberechnung von Holz Holzwerkstoffe weisen im Gegensatz zu Stählen für unterschiedliche Beanspruchungsrichtungen abweichende Festigkeitseigenschaften bzw. Materialkennwerte auf. Bei Holzwerkstoffen sind zur Bewertung der Festigkeit neben der Faserorientierung zusätzliche Materialeigenschaften wie beispielsweise Holzart und Feuchtigkeit ausschlaggebend. Festigkeit und Faserorientierung von Holz Die für Holz als Naturwerkstoff unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften sind wachstumsbedingt (z. B. durch Zweige, Astlöcher, etc.), und nicht homogen. Die größte Stabilität weist Holz in Längsrichtung des Bauteils auf. Radiale und tangentiale Orientierung der Fasern hängen von der Schnittrichtung ab, die jedoch oft unbekannt ist. FEM-Analyse von Kunststoff aus dem 3D-Drucker 3D- gedruckte Teile und Modelle werden mittlerweile immer gebräuchlicher, neuerdings selbst im privaten Bereich.  Mittlerweile gibt es nicht nur Kunstoffe für den 3D-Druck mit beachtlichen strukturmechanischen Festigkeitseigenschaften, sondern auch 3D-Drucker bereits zu Preisen ab 1000 €. Die Festigkeit der Bauteile hängt im Wesentlichen von der Druckrichtung, aber auch von der Bauteilorientierung im Arbeitsraum des 3D-Druckers ab. Untersuchte Lastfälle Für die Studie wurden folgende als alltäglich angenommene Lastfälle mittels FE-Analysen näher untersucht: Gesamtlast konzentriert auf die Mitte der Sitzfläche Bequemes Sitzen mit einem Bein auf unterer Querstrebe Gesamtes Körpergewicht auf den unteren Querstreben Schräge Last, Kippen auf dem Stuhl Ergebnisse der FEM Analyse Als besonders kritischer Belastungsfall wird eindeutig der Lastfall Nr. 3 identifiziert. Nachfolgend ist der Ergebnisvergleich prozentual für die beiden verglichenen Materialien aus dem 3D-Drucker dargestellt: Anhand dieser Fallstudie kann man deutlich erkennen, dass inzwischen neuartige Kunststoffe mehr als die Doppelte Last im Vergleich zu bisher verwendeten Materialien tragen können. Das Materialmodell von Holz kann hier nur durch grobe Abschätzungen anhand der DIN-Normen dargestellt werden. Deshalb können die Berechnungsergebnisse die Belastung vom Holz nicht exakt wiederspiegeln. Für eine exakte Versagensbewertung müssten aufwändige Versuche durchgeführt werden, die jedoch den Rahmen dieser Fallstudie sprengen würden. Haben Sie noch weitere Fragen zur Berechnung von 3D- Druck- Materialien ? Sprechen Sie uns an und informieren Sie sich über unser Dienstleistungsangebot ! Weitere Projektbeispiele für strukturmechanische FE-Analysen: FE-Berechnung und Kräfteermittlung über Starrkörpersimulation FSI-Simulation eines Zylinderkopfes Beispiel aus der Praxis: Berechnung einer Fußgängerbrücke Beispiel von Gummi- und Kunststoffbauteilen