DEM-Modellierung selbstschärfender Schneidewerkzeuge

Bei der Zerkleinerung von abrasiven Polymerwerkstoffen führt der starke Werkzeug-verschleiß zu häufigen Werkzeugwechseln und hohen Kosten oder einem minderen Zerkleinerungsergebnis. Wünschenswert sind daher selbstschärfende und somit im Dauerbetrieb zu verwendende Werkzeuge. Der Selbst-schärfeeffekt ist ein aus der Natur bekanntes Phänomen: Rattenzähne verfügen über einen hierarchisch strukturierten Aufbau, der durch einen gerichteten Verschleiß zu einer stetig scharfe Schnittkante führt. Das Verschleißverhalten wird somit nicht nur durch die Geometrie, sondern maßgeb-lich durch die Eigenschaften des verwendeten Werkstoffes beeinflusst. Die Computersimulation von definierten Be-triebszuständen ermöglicht eine gezielte Optimierung des gesamten Entwicklungs- und Betriebsprozesses und stellt somit ein geeignetes Werkzeug für eine kosteneffiziente sowie zeitsparende Entwicklung dar. Die Modellierung des Verschleißes wird durch den Einsatz der Diskreten Elemen-te Methode (DEM) realisiert. Dabei werden das zu simulie-rende Werkzeug sowie das Werkstück durch einzelne Ele-mente (zumeist Kugeln) dreidimensional diskretisiert. Die einzelnen Elemente werden durch viskose Feder-Dämpfersysteme (Zug- und Druckfedern) und Biegebalken miteinander in Wechsel-wirkung gesetzt. Diese Methode eignet sich besonders für die Darstellung von ver-schleißenden Anwendungen, da eine Überlastung einzelner Verbindungen zu deren Bruch führt, so dass sich einzelne Elemente aus der Matrix heraus lösen können und so die Formänderung sichtbar wird. Die Schädigung des Materials wird durch Last-kollektive mit einer implementierten Ermüdungsfunktion berücksichtigt (statistischer Multiskalenansatz). Durch gezielte Kalibrierung können zusätzlich Material-eigenschaften wie Heterogenitäten oder Gradienten berücksichtigt werden. Die Kalib-rierung des Modells erfolgt durch den Vergleich der Simulationsergebnisse von Zug-, Druck- sowie Kerbschlagbiegeversuchen mit realen Versuchen.