Strukturmechanik

Darüber hinaus zählt die Entwicklung phänomenologischer Materialmodelle für Elastizität, Plastizität und Ermüdung zu unseren Kernkompetenzen. Zur Simulation setzen wir fortschrittliche numerische Methoden ein, darunter die Finite-Elemente-Methode (FEM), die Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) sowie die Extended Finite Element Method (XFEM). Diese Methoden nutzen wir für makroskopische Bauteilsimulationen, mikroskopische Modellierungen mittels bildbasierter Vernetzungen sowie bruchmechanische Analysen des Rissfortschritts.

In der Abteilung Strukturmechanik verfügen wir über eine Vielzahl an Prüfmaschinen, mit denen wir unter statischen und zyklischen, ein- und mehrachsigen Lasten in unterschiedlichsten Temperatur- und Frequenzbereichen prüfen können. Von der Prüfung im Ultraschallpulser mit 20 kHz unter wechselnder und schwellender Beanspruchung bis hin zur Prüfung bei kryogenen Temperaturen bieten wir eine große Spannbreite an Prüfkapazität an. Unser technisches Personal ist versiert bei der Durchführung von spannungs- und dehnungsgeregelten mechanischen Prüfungen. Die wissenschaftlichen Mitarbeitenden unterstützen bei der Versuchsplanung und der Auswertung der Versuche, wobei der Schwerpunkt auf der Bewertung und Einordnung der Ergebnisse liegt. Untersuchungen können mit digitaler Bildauswertung, lokaler Temperaturmessung sowie einem System zur Erfassung der Risswachstumsgeschwindigkeit unterstützt werden.

Anhand einer gut erhaltenen Bruchfläche lässt sich in detektivischer Kleinarbeit die Geschichte eines Risses zurückverfolgen. Flankiert von Gefügeuntersuchungen und Eigenspannungsmessungen eröffnen sich Versagensursachen und Abhilfemaßnahmen in der praktischen Anwendung. Neben den Untersuchungen an im eigenen Hause geprüften Probenmaterial hat sich die Abteilung auch auf die Beurteilung von durch schwingende Beanspruchung verursachten Schadensfällen spezialisiert. Von der gebrochenen Feder bis zum Großgetriebezahnrad wurden in Zusammenarbeit mit der metallographischen und physikalischen Analytik schon diverse Fälle aufgeklärt.

Im Rahmen des Transferprojekts werden spezifische Prozesssignaturen für die rein thermische Behandlung 
rotationssymmetrischer Bauteile entwickelt. Diese Signaturen, kombiniert mit den berechneten lokalen Festigkeiten 
und dreidimensionalen Spannungstensoren, dienen der Schwingfestigkeitsanalyse mittels des Fehlstellenmodells. 
Die erforderlichen Parameter für die Analyse werden durch experimentelle Untersuchungen ermittelt, hierbei werden 
unterschiedliche initiale Gefügezustände betrachtet und u. a. Eigenspannungsmessungen und Umlaufbiegeprüfungen 
durchgeführt. Die Methode wird in Kooperation mit einem Industriepartner anhand eines praxisrelevanten Beispielbauteils 
evaluiert.
 

Kooperation: eldec Induction GmbH
Förderung: DFG (Transferbereich SFB TRR136) – Projektnummer 223500200

Kontakt:
M.Sc. Tobias Heinrich
Tel.: +49 421 218 51338
E-Mail: heinrich@iwt-bremen.de

Das Gesamtvorhaben gliedert sich in zwei komplementäre Forschungssäulen:

• Abteilung Leichtbauwerkstoffe (Partnergruppe):  Konzentriert sich auf die präzise Charakterisierung von Porosität und Defektverteilung im additiv gefertigten Bauteil. Der Zusammenhang zwischen den im 3D-Druck verwendeten Prozessparametern und den resultierenden Defekten wird mit Hilfe von Methoden des maschinellen Lernens analysiert. Durch umfangreiche Druckversuche kann somit ein KI-Modell auf Basis künstlicher neuronaler Netze trainiert werden, das eine zuverlässige Vorhersage der Bauteilporosität ermöglicht.

• Abteilung Strukturmechanik (Unsere Abteilung): Fokussiert sich auf die mechanische Bewertung und die Entwicklung des finalen, skalenübergreifenden Dauerfestigkeitsmodells, das die Defektinformationen mit den Materialeigenschaften verknüpft. Zur schnellen Charakterisierung des Materialverhaltens führen wir Mikrodruckprüfungen additiv gefertigter Zylinder direkt auf der Bauplatte durch. Mittels der Finiten-Elemente-Methode (FEM) werden diese Ergebnisse dann interpretiert. 

Methodische Kernkompetenz

Die zentrale Methode ist die Mikrodruckprüfung (MDP) an winzigen Zylindern. Diese ermöglicht eine schnelle Charakterisierung der elastisch-plastischen Materialeigenschaften – der sogenannten Matrixfestigkeit – direkt auf der Bauplatte. Um eine belastbare Datenbasis zu erhalten, werden zusätzlich umfassende zyklische MDPs sowie konventionelle Schwingversuche an größeren Proben (Kleinst- und Normproben) unter schwellender Zugbeanspruchung durchgeführt.

Brückenschlag durch Simulation

Mithilfe der Finite-Elemente-Methode interpretieren wir die Versuchsergebnisse. Hierunter wird der Einfluss der Prüfbedingungen verstanden und eine direkte Brücke zwischen den MDP-Ergebnissen und den konventionellen, normierten Werkstoffkennwerten geschlagen. Diese Korrelation ist essenziell für die Übertragbarkeit der schnellen MDP-Ergebnisse auf die reale Bauteilbewertung.

Das Dauerfestigkeitsmodell

Das Herzstück der Forschung ist die Entwicklung eines Gesamtmodells, das auf einer bruchmechanischen Betrachtung basiert. Hierbei werden Hohlräume und Defekte im Bauteil als kritische Risse gewertet, deren Wachstum unter zyklischer Belastung beschrieben wird. Das Modell verknüpft die sensitiven MDP-Daten (als Messgröße für die Materialgrundfestigkeit) mit der von der Partner-Arbeitsgruppe gelieferten Defektgrößenverteilung.

Ziel und Validierung

Ziel ist eine präzise, skalenübergreifende Vorhersage der Dauerfestigkeit von Bauteilen aus dem Werkstoff AlSi10Mg. Abschließend wird die Methode an einer zweiten, hochfesten Aluminiumlegierung (Scalmalloy®) evaluiert, um die Robustheit und Legierungsunabhängigkeit des entwickelten Modells zu überprüfen.

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer 553531445

Kontakt:
Dr.-Ing. Johanna Eisenträger
Tel.: +49 421 218 51320
E-Mail: eisentraeger@iwt-bremen.de