Technische Elastomere finden sich heute in fast allen Produkten, von der Küchenmaschine über Zahnarztbohrer bis zum Automobil- und Maschinenbau, z.B. auch in Windkraftanlagen oder Tunnelbohrmaschinen. Hauptsächlich nutzt man diese hierbei als Dichtungen (z.B. Öl gegenüber Luft oder als Staubschutz), aber auch bei Dämpfungsanwendungen zur Lärmminderung oder Komfortsteigerung (Pkw, Lkw, Maschinen, Akustik).

Elastomere zeigen ein hochkomplexes Werkstoffverhalten, was besondere Herausforderungen für die Planung/Konstruktion und Herstellung/Fertigung dieser Maschinenteile/Produkte mit sich bringt. Insbesondere in der Planungs- und Auslegungsphase greift man – wie heute i.d.R. bei allen technischen Entwicklungen – auf entsprechende Simulationstechniken und passende Computer- und Rechnermodelle zurück. Dem o.g. komplexen Verhalten trägt man mit ausgefeilten Modellen Rechnung, die man in der Forschung momentan ständig weiterentwickelt.
Einen dieser Aspekte möchten wir an dieser Stelle herausgreifen und näher beleuchten: Sowohl bei „statischen“ (in der „Gummi-Welt“ für sehr langsame Prozesse und Vorgänge) als auch bei „dynamischen“ (in der „Gummi-Welt“ für „schnelle“ Vorgänge) Belastungen reagieren Elastomere nichtlinear (und dies abhängig von der Temperatur).

Mit nichtlinear bezeichnet man Eigenschaften, bei denen kein proportionaler Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgang vorliegt. D.h. also, trotz Kenntnis eines Zusammenhangs auf einem bestimmten Niveau kann man nicht auf das Ergebnis bei einem anderen Zustand schließen. Man spricht hier vom sog. „Superpositionprinzip“, das nicht gültig ist: So kann man z.B. nicht aus zwei bekannten Ein- und Ausgangssignalen ein drittes Signal durch Addition erzeugen. Diese Eigenschaft wird oft bei technischen Anwendungen und Modellen verwendet, hier müssen wir uns mit anderen Ideen helfen.
 

Im Ingenieurwesen hat sich für die Entwicklung technischer Produkte und Bauteile seit den späten 1970er und in den 1980er Jahren die Methode der Finiten Elemente („FEM“) etabliert. Die grundlegende Idee dieses eigentlich mathematischen Verfahrens zur Lösung von Differentialgleichungen („DGLen“) ist die geometrische Aufteilung eines Gebiets bzw. des Bauteils in viele kleine, einfachere Körper wie Würfel oder Tetraeder. Dahinter steht die Idee, dass die Berechnungsergebnisse dieser kleinen, einfacheren Strukturen im Zusammenbau („Assemblierung“) später dann die Antwort der „großen“ Gesamtstruktur widerspiegeln (vgl. Abb. 2). Dieses zunächst sehr formale und abstrakte Vorgehen wird inzwischen durch sehr mächtige Software-Systeme vor allem grafisch unterstützt, so dass ein Anwender (heute „Berechnungsingenieur“) in der heutigen Zeit die mathematisch-mechanischen Hintergründe und Zusammenhänge nicht mehr zwingend kennen muss, um diese Methode sinnvoll einzusetzen und für seine Entwicklungen anzuwenden.

Schauen wir uns das in Abb. 2 skizzierte Vorgehen genauer an:

In einem CAD-System („Computer-Aided Design“) wird das zu untersuchende Bauteil modelliert. Es wird also maßstabsgerecht gezeichnet und mit den entsprechenden Bedingungen für Lagerstellen, Kräften und evtl. sogar Temperaturbelastungen versehen („preprocessing“). Unser Beispielpuffer soll eine Höhe von 50 mm haben und rotationssymmetrisch sein. In der Mitte („Taille“) hat er einen Durchmesser von 20 mm. An der oberen Deckfläche soll der Puffer in die Länge gezogen werden, bis er seine doppelte Länge (also 100 mm) erreicht.
 

Im Nachgang („postprocessing“) der eigentlichen (nichtlinearen) Berechnung kann man z.B. den Spannungszustand im Innern des Puffers analysieren, um daraus Aussagen und Abschätzungen zur Beanspruchung und damit Lebensdauer des Bauteils abzuleiten.

In unserem Beispiel sehen wir im Innern eine Spannung von ca. 1,5 MPa bei einer Verlängerung von 17,5 mm (Abb. 4), die auf über 5 MPa bei Verdoppelung der Ausgangslänge (Abb. 7) im Außenbereich der „Taille“ ansteigt.