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Verformung von High-Tech-Werkstoffen

10.03.1998 - (idw) Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Werkstoffwissenschaften

FAU-Foerderung aus dem Bayerischen Langzeitprogramm "Neue Werkstoffe"

Verformung von High-Tech-Werkstoffen

Das Bayerische Staatsministerium fuer Unterricht, Kultus, Wissenschaft und Kunst hat im Rahmen des Langzeitprogrammes "Neue Werkstoffe", das Infrastrukturmassnahmen in Forschungseinrichtungen foerdert, dem Institut fuer Fertigungstechnik Sachmittel in Hoehe von DM 327.000 zugewiesen. Mit den Mitteln sollen ein Speckle-Interferometer und eine Mess- und Steuereinrichtung fuer einen Biaxial-Pruefstand angeschafft werden. Unter Leitung von Prof. Dr. Guenther Kuhn und Prof. Dr. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein fuehren Dr.-Ing. Werner Winter und Dipl.-Ing. Stefanie Nickel Verformungsmessungen an High-Tech-Werkstoffen, elektronischen Bauteilen und Biomaterialen durch.

Ein interdisziplinaer arbeitender Arbeitscluster am Institut fuer Fertigungstechnik, bestehend aus dem Lehrstuhl fuer Technische Mechanik (LTM) und dem Lehrstuhl fuer Kunststofftechnik (LKT), plant, mittels eines laseroptischen Messsystems die Verformungsfelder auf Verbundstrukturen aus Hochleistungswerkstoffen bzw. auf Mehrkomponentenspritzgussteilen zu bestimmen und Biaxialversuche an anisotropen Hochleistungswerkstoffen und Biomaterialen durchzufuehren.

Material- und Bauteilpruefung

Die Entwicklung und die Werkstoffmechanik dieser Werkstoffe bzw. Bauteile beruehren Fragestellungen aus unterschiedlichen Gebieten und erfordern daher die Zusammenarbeit von Forschungsinstituten aus verschiedenen Disziplinen. Ein Beispiel hierfuer ist die Herstellung und die Festigkeit von faserverstaerkten Kunststoffen, die infolge des Herstellungsprozesses anisotrope (nach verschiedenen Richtungen unterschiedliche) Materialeigenschaften aufweisen. Als ein zweites Beispiel seien Mehrkomponentenspritzgussteile oder Sandwich-Verbundstrukturen angefuehrt, deren Verformungsverhalten unter thermischer Beanspruchung numerisch simuliert und mit Experimenten verglichen werden soll.

Innerhalb dieser Themenbereiche sollen zunaechst folgende Vorhaben gemeinsam bearbeitet werden:

- Herstellung von Probenkoerpern aus faserverstaerkten Kunststoffen mit unterschiedlichen Anisotropieeigenschaften fuer mehrachsige Belastungs- und Bruchmechanikversuche bei Mixed-Mode-Belastung.

- Herstellung von Probenkoerpern im Mehrkomponentenspritzguss. Thermische bzw. mehrachsige Belastungsversuche an diesen Bauteilen mit Bestimmung ihres Verformungsverhaltens.

- Verformungsmessungen und numerische Simulation der Beanspruchung an der Rissspitze bei kurzfaserverstaerkten Thermoplasten.

- Verformungsmessungen an thermisch beanspruchten elektronischen Bauteilen zur Bestimmung von inneren Fehlern sowie numerische Simulation des Verformungsverhaltens thermisch beanspruchter elektronischer Bauteile.

- Experimentelle Bestimmung ebener Dehnungsfelder auf Biomaterialen wie trabekulaerem Knochen.

Da Fragestellungen aus den Bereichen der Kunststofftechnik, Werkstoff- und Biomechanik sowie der Numerik aufgegriffen werden, koennen die Forschungen nur interdisziplinaer durchgefuehrt werden. Die beteiligten Forschergruppen haben entsprechende Schwerpunkte gesetzt.

Der Einsatz eines laseroptischen Messgeraetes auf Basis der Speckle-Interferometrie zur beruehrungslosen Messung des Verschiebungsfeldes auf flaechigen Bauteilen ermoeglicht sowohl die Bestimmung von Werkstoffkennwerten der Festigkeit anisotroper Werkstoffe unter mehrachsiger Beanspruchung als auch die Beurteilung von Fehlern auf Leiterplatten durch Messungen an der Oberflaeche.

Die Erzeugung eines homogenen Spannungs- bzw. Verformungsfeldes in anisotropen Materialien unter mehrachsiger Beanspruchung erfordert eine anspruchsvolle Versuchstechnik und setzt numerisch optimierte Probenformen voraus. Fuer die Steuerung der servohydraulischen Pruefzylinder ist eine synchron arbeitende Steuereinheit einschliesslich Rechner und Software notwendig.

Direkter Nutzen fuer heimische Betriebe

Durch die genehmigte Infrastrukturmassnahme wird eine neue Messtechnik zur beruehrungslosen Bestimmung der Verformungen auf flaechigen Bauteilen an der Universitaet Erlangen-Nuernberg installiert. Die geplanten Untersuchungen und angedachten Forschungsziele sind auf direkten Nutzen fuer die in Bayern ansaessige mittelstaendische Industrie ausgerichtet.

Die Zusammensetzung der Forschergruppe aus einem werkstoffanwendungstechnischen Lehrstuhl (LKT) und einem werkstoffmechanisch/numerisch orientierten Lehrstuhl (LTM) bildet die ideale Basis zur Bearbeitung praxisrelevanter Themen neuer Werkstoffe und deren Festigkeit sowie dem Verhalten von Bauteilen, die mit der zunehmend eingesetzten Mehrkomponententechnik hergestellt werden. Die neuen messtechnischen Voraussetzungen werden weitere Forschungsprojekte auf diesem Gebiet ermoeglichen.

Ueber die Forschung hinaus ist der Einsatz des laseroptischen Messsystems und der biaxialen Belastungseinheit in der Lehre vorgesehen. Die Ausbildung der Studenten der Fertigungstechnik beinhaltet ein fertigungstechnisches Praktikum mit praktischen Versuchen. Neben dem Einsatz fuer die Dehnungs- und Verformungsanalyse kann mit dem laseroptischen Verfahren auch die zuverlaessige, wirtschaftliche und zerstoerungsfreie Pruefung von Bauteilen aus der Fahrzeug- und Flugzeugindustrie und der Biomechanik demonstriert werden.

Kontakt: Dr. Werner Winter, Lehrstuhl fuer Technische Mechanik, Egerlandstrasse 5, 91058 Erlangen, Tel.: 09131/85 -8505, Fax: #09131/85 -8503, E-Mail: winter@ltm.uni-erlangen.de


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