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Gruppenbild der Strukturmechanik

In der Abteilung Strukturmechanik werden mechanische Eigenschaften von Proben und Bauteilen untersucht und mit anderen Werkstoff- und Bauteileigenschaften in Beziehung gesetzt. Die Untersuchungen erstrecken sich auf das Werkstoffverhalten unter monotoner und zyklischer Belastung an ungeschädigten Proben, an Bruchmechanikproben sowie an Bauteilen.

Begleitende mikrostrukturelle Untersuchungen werden am Ausgangszustand und am beanspruchten Zustand durchgeführt, wobei die Klärung der Versagensmechanismen im Vordergrund steht. Aus diesen Arbeiten werden Modelle und quantitative Beschreibungen für das Bauteilversagen abgeleitet, die es ermöglichen, Festigkeit und Lebensdauer bei mechanischer Belastung vorherzusagen. In Zusammenarbeit mit anderen Arbeitgruppen des Instituts werden Verfahren zur Festigkeitssteigerung entwickelt und untersucht.

 

Ein Mitarbeitender bedient eine Maschine.

Auftragsuntersuchungen

Unsere Abteilung bietet Unternehmen maßgeschneiderte Prüfverfahren zur Charakterisierung metallischer Legierungen unter zyklischen Lasten. Unsere Leistungen umfassen:

  • Mechanische Prüfungen unter schwingender Belastung
    • Zeitfestigkeit, Dauerfestigkeit
    • Low-Cycle-Fatigue (LCF), High-Cycle-Fatigue (HCF), Very High-Cycle-Fatigue (VHCF)
    • Verschiedene Probenformen und Frequenzen
    • Temperaturbereich: Raumtemperatur bis 1000 °C
  • Rissfortschrittsmessungen an CT-Proben unter schwingender Belastung
  • Digitale Bildkorrelation (DIC) zur 2D-Vermessung der Deformationen
  • Beurteilung von Schadensfällen

Kontaktieren Sie uns, um mehr zu erfahren und Ihre Projekte gemeinsam mit uns zu realisieren.

Schwerpunkte

Die Abteilung Strukturmechanik führt zum einen im Rahmen von Forschungsprojekten und im Auftrag von Industrieunternehmen die mechanische Prüfung von Werkstoffen und Bauteilen durch. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der schwingenden Beanspruchung. Zum anderen entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Abteilung Strukturmechanik Modelle auf Basis dieser Prüfergebnisse. Die Modelle dienen der Vorhersage des Werkstoffverhaltens. Die Abteilung legt ihren Fokus diesbezüglich auf drei Arbeitsfelder:

Unter Berücksichtigung des vorliegenden Gefüges, der lokalen Härte und den vorliegenden Eigenspannungen wird an einem Werkstoffmodell zur Beanspruchbarkeit unter schwingender Beanspruchung gearbeitet, welches sich mit Hilfe gängiger Vergleichsspannungshypothesen in die Simulation der Prozesskette implementieren lässt. Dabei sollen in Zukunft auch komplexe Gefügestrukturen, wie sie zum Beispiel in carbonitrierten Randschichten auftreten, berücksichtigt werden können.

Auf Basis der bereits erfolgreich entwickelten Fehlstellenmodellierung, die die Berechnung der Schwingfestigkeit ermöglicht, wird an einer Modellierung gearbeitet, welche die diskrete Lebensdauervorhersage bei einer Beanspruchung im Zeitfestigkeitsgebiet erlaubt. Hierbei dienen die lokal vorliegenden Festigkeiten und Beanspruchungen als Berechnungsgrundlage.

Weiterhin wird die Beschreibung von verschiedenartigen Fehlstellen künftig in ein gemeinsames Modell überführt. Verschiedene Werkstoffe versagen bei schwingender Beanspruchung an verschiedenartigen Fehlstellen (Poren, Lunker, Ausscheidungen, Dispersionen, Gefügeinhomogenitäten, ...). Mit dem Modell wird eine differenzierte Beschreibung dieser Fehlstellen, basierend auf dem Multiple-Flaw-Ansatz, angestrebt.

Gemeinsames Ziel dieser Arbeitsfelder ist es die werkstoff-, beanspruchungs- und geometriemäßige Verallgemeinerungsfähigkeit der Modelle zu überprüfen, um den Prüfaufwand in der Zukunft reduzieren zu können und die fertigen Modelle als Bausteine in Simulationstools implementieren zu können.

In weiteren Forschungsprojekten arbeitet die Abteilung an der Untersuchung von Wechselwirkungen von Beanspruchungen bei der Bearbeitung von Bauteilen, an der Entwicklung von Prüfmethoden für ungewöhnliche Probengeometrien und der Erarbeitung von sinnvollen Datenstrukturen zur strukturierten Ablage von Forschungsdaten.

 

Die Abteilung Strukturmechanik verfügt über 21 Schwingprüfmaschinen in unterschiedlichen Last- und Frequenzbereichen und 5 Überrollungsprüfstände. Von der Prüfung von Großproben im Horizontalpulser mit ±100 kN bei 30 Hz bis zur Prüfung im Ultraschallpulser mit 20 kHz unter wechselnder und schwellender Beanspruchung wird eine große Spannbreite an Prüfkapazität angeboten. Unser technisches Personal ist versiert bei der Durchführung von spannungs- und dehnungsgeregelten Schwingprüfungen. 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.

Projekte der Strukturmechanik

Bearings Fatigue Life Testing and Calculation (BALTIC)

Im BALTIC-Verbundprojekt werden die Laufbahn- und Strukturermüdung von Rotorblattlagern in Windenergieanlagen experimentell und durch Simulation untersucht, um die Lebensdauer der Lager präzise zu ermitteln. 

Am Leibniz-IWT wird das Teilprojekt ,,Werkstofftechnische Untersuchung vorgeschädigter Blattlager und Evaluierung von Modellen zur Abschätzung der Rissentstehungswahrscheinlichkeit und zur Simulation des Risswachstums anhand von Ermüdungsversuchen" bearbeitet. Ein besonderer Fokus liegt auf der Wechselwirkung typischer Schadensmechanismen wie Laufbahnermüdung, Verschleiß, Ringermüdung und Korrosion. Erste Analysen von im Feld eingesetzten Lagern (Feldrückläufer) zeigten Risse, die sowohl von der Bohrung zur Laufbahn als auch umgekehrt verlaufen. Mittels chemischer Untersuchungen der Bruchflächen wurde Korrosion in Bohrungen als Ursache für die Risse identifiziert.


Zur weiteren umfangreichen Untersuchung dieser Mechanismen in Zug-Druck-Ermüdungstests und Versuchen zur Rissausbreitung bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen wird derzeit die Probenentnahme aus einem Lagerring geplant. Ein Teil der Proben soll das duktile Material im Kern der Lagerringe repräsentieren, während der andere Teil gezielt gehärtet wird, um das Gefüge in der induktiv gehärteten Laufbahn abzubilden.
Parallel wird an der Simulation des Beanspruchungszustands gearbeitet. Dafür ist der Verlauf der Eigenspannungen in der Tiefe an relevanten Positionen entscheidend. Erste Messungen der Oberflächenspannungen mittels mobiler Diffraktometrie sind erfolgt. Basierend auf den Ergebnissen wurden Segmente zur Bestimmung des Spannungsverlaufs über die Tiefe ausgewählt. Diese Untersuchungen sind entscheidend, um die komplexen Beanspruchungen der Rotorblattlager zu verstehen.


Kooperationen: Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES), Eolotec GmbH, WRD Research and Development GmbH, Liebherr-Components Biberach GmbH
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

 

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


 

KI-gestützte Entwicklung von Kieselalgenstrukturen zum Aufbau von additiv gefertigten Endoprothesen aus Ti-6Al-4V

Etwa 20 % aller Hüftgelenkersatzoperationen weltweit sind Revisionseingriffe, was auf einen erheblichen Optimierungsbedarf hinweist. Kieselalgen weisen komplexe offenporige Strukturen auf, die Leichtbaueigenschaften mit hoher Festigkeit und risshemmendem Verhalten kombinieren, was sie für die Endoprothetik interessant macht. Das Forschungsprojekt „KIKI“ zielt darauf ab, eine KI-basierte Methode zur bioinspirierten Strukturierung von Proben zu entwickeln, um die erfolgreiche Strukturierung von Endoprothesen in zukünftigen Projekten zu ermöglichen.

Für ein effektives KI-Tool sind umfangreiche Daten erforderlich. Daher werden Proben aus Ti-6Al-4V mittels pulverbettbasiertem selektivem Laserschmelzen hergestellt und quasi-statischen Druck- und Biegeversuchen sowie zyklischen Risswachstumsversuchen unterzogen. Die mechanischen Tests und die Analyse beschädigter Proben dienen als Datenbasis für die Entwicklung des KI-Tools und die Validierung der bioinspirierten Strukturen.


Kooperation: Alfred-Wegener-Institut (AWI) Bremerhaven
Förderung: Universität Bremen – UBRA /AI Center for Health Care)

 

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

SFB/TRR 136 „Prozesssignaturen“ – Transferprojekt T06: Datenbasierte Lebensdauerprognose für eine funktionsorientierte Induktionshärtung

Das Projekt zielt darauf ab, die Prozessparameter einer Induktionshärtung so vorherzusagen, dass geforderte 
Bauteileigenschaften, wie die Schwingfestigkeit von Wellen, im Kontext einer funktionsorientierten Fertigung 
erfüllt werden. Dies wird durch die Invertierung der Prozesssignatur und die Berechnung lokaler Schwingfestigkeiten erreicht.

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)

 

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