Im Projekt simulieren wir die mechanischen Eigenschaften von Leder. Dies dient als Grundlage für deren gezielte Beeinflussung schon während der Herstellung und Verarbeitung.

Simulation von Ledereigenschaften mit TexMath

AIF-Projekt – Simulation der Eigenschaften von Leder

Lange Faserbündel, die sich in Netzwerke verzweigen und an vielen Stellen verwoben sind – so sieht die Mikrostruktur von Leder aus. Makroskopisch gesehen, ist Leder ein anisotropes Material. Zum Einsatz kommt es in Autositzen, Möbeln oder Kleidung. Im vorgestellten Projekt – gefördert durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) – dreht sich alles um Vorhersage der Ledereigenschaften.

Die Eigenschaften von Leder hängen von der Anordnung der Faserbündel, ihrer Dicke, Länge und ihren Eigenschaften ab. Da Leder ein Naturprodukt ist, weist es gegenüber Kunststoffen und Textilien viel ungleichmäßigere Materialeigenschaften auf. Unter den Bedingungen der industriellen Massenfertigung ergibt sich die Notwendigkeit, die Produkte am Computer zu entwerfen und das Verhalten vorab zu beurteilen. Gemeinsam mit der Abteilung »Bildverarbeitung« und dem Forschungsinstitut für Leder- und Kunststoffbahnen FILK simulieren wir das Verhalten mittels Modellierungs- und Homogenisierungsmethoden auf Grundlage von Mikro-CT-Bildern der Struktur und der gemessenen viskoelastischen Eigenschaften der Faserbündel.
 

Mikroskopische Simulationen mit TexMath

Die CT-Aufnahmen weisen darauf hin, dass das Leder aus vielen Faserbündeln besteht, deren Orientierung entlang der Schichtdicke variiert. Anhand der gemessenen Eigenschaften der Faserbündel simulieren wir das Verhalten der Struktur mithilfe unserer Software TexMath. Es ermöglicht die Berechnung von großen Fasersystemen für große Verformungen mit gleichzeitigem Kontaktgleiten an Millionen von Knotenpunkten. Dabei berücksichtigt TexMath den Einfluss der Gleitreibung in Faserbündelknoten auf das Lederverhalten.

Video: Simulation von Ledereigenschaften mit TexMath

Fraunhofer ITWM

Die langen, gekrümmten Zylinder sind verzweigt, miteinander verwoben und an vielen Stellen gekreuzt.

CT-Aufnahme Leder
© Fraunhofer ITWM
Die bisherigen CT-Aufnahmen weisen darauf hin, dass das Ledermaterial aus vielen Faserbündeln besteht, deren Orientierung (Anisortropiegrad) entlang der Schichtdicke sehr variiert.
Rasterelektronenmikroskopie (REM) von Leder
© Forschungsinstitut für Leder und Kunststoffbahnen FILK
Rasterelektronenmikroskopie (REM) von Leder. Das Forschungsziel des Projektes ist ein 3D-FEM-Strukturmodell für Leder, das realistische Belastungsvorhersagen ermöglicht, u.a. anhand von CT- und solchen REM-Bildern.

Berechnung der Relaxationszeit von Leder

Wir untersuchen zudem, wie die Relaxationszeit des Ledermaterials mit dem Relaxationsverhalten des Faserbündels zusammenhängt. Auf Grundlage unserer bisherigen Analyseergebnisse konnten wir zeigen, dass sich das makroskopische Relaxationsverhalten berechnen lässt, indem wir das Relaxationsverhalten eines einzelnen Faserbündels mit dem rein strukturellen geometrischen Faktor multiplizieren, den wir aus dem CT-Aufnahmen ermitteln. Diese Vermutung konnten wir bestätigen – anhand experimenteller Daten von Zugversuchen für Leder und Faserbündel. Wir führen außerdem makroskopische Simulationsanalysen von Ledern durch. Dabei berücksichtigen wir die Festigkeit der Garne, die Faserbündelstruktur sowie die berechneten homogenisierten Eigenschaften und lokalen Spannungen.

© Fraunhofer ITWM
Zugsimulation der Lederschäden in der Nähe eines Lochs. So berechnen wir das anisotrope Wachsen eines gestanzten Loches im Leder voraus, das bei Zugbelastungen entsteht und sagen so realistische Materialbeanspruchungen vorher.

Video: Simulation von Ledereigenschaften

Fraunhofer ITWM

Weiteres Beispiel zur mikroskopischen Simulation von Ledereigenschaften mit TexMath.