Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Meso- und Mikromechanik
Drei Mikroproben im Größenvergleich: Probe für Biegeresonanzversuche (oben), Biegeversuche (Mitte) und Zugversuche (unten).
Unter Verwendung selbst entwickelter Versuchsaufbauten und experimenteller Mechanik bestimmen wir Materialeigenschaften von Proben mit mindestens einer Abmessung im Mikrometerbereich. Durch gezielte Probenpräparation bestimmen wir so die Materialeigenschaften kleinster Komponenten und kritischer Bereiche makroskopischer Bauteile. Dies dient der Verbesserung existierender Materialmodelle sowie der Aufdeckung von Größeneffekten, die bei Probenabmessungen im Bereich von Mikrostrukturgrößen häufig auftreten.
Wir entwickeln unsere Versuchsaufbauten kontinuierlich weiter und können sehr flexibel auf spezielle Projektanforderungen reagieren.
Außerdem beschäftigt sich unsere Gruppe mit der Entwicklung mechanischer Metamaterialien. Diese künstlichen Materialien können, basierend auf ihrer inneren Struktur, auf einen externen Trigger (mechanische Belastung, Temperaturänderung) zum Beispiel mit einer Variation ihrer mechanischen Eigenschaften reagieren.
Leistungen
- Konzeption und Durchführung von Zug-, Biege- und Biegeresonanzversuchen an Mikroproben
- Bestimmung mechanischer Materialeigenschaften an Proben im Mikromaßstab
- Fertigung optimierter Mikroproben (Minimierter Einfluss des Herstellungsprozesses)
- Entwicklung und Optimierung mikromechanischer Versuchsstände und entsprechender Software
- Echtzeitdehnungsmessung mittels Digital Image Correlation and Tracking
- Detektion von Ermüdungsschädigungen noch vor der Rissbildung
- Hochaufgelöste Analyse hinsichtlich Mikrostruktur- und Defektverteilungen
- Auf Deep Learning basierte semantische Segmentierung von Schädigungsstellen
- Entwicklung mechanischer Metamaterialien
Sprechen Sie uns an! Gemeinsam finden wir eine maßgeschneiderte Lösung für Ihre Fragestellung.
Anwendungsfälle
Charakterisierung kleinster Bauteile unter Berücksichtigung von Skalen- und Skalierungseffekten. Bei der Miniaturisierung können Defektverteilungen im relevanten Bauteilvolumen entstehen, die die Ermüdungseigenschaften maßgeblich beeinflussen. Zudem kann bei einer Bauteilgeometrie in der Größenordnung von Korngrößen die Ausbreitung von Defekten (Versetzungen und Leerstellen) innerhalb der Mikrostruktur oberflächen- und nicht korngrenzen-dominiert sein. Beispiele für diesen Anwendungsfall sind unter anderem Elektrobleche, Ventile, Uhrenbestandteile, Leistungselektronik, Dünnschichten.
Ermittlung lokal variierender Materialeigenschaften makroskopischer Bauteile. Zum Beispiel aufgrund inhomogener Abkühlprozesse bei Schweißverbindungen oder Temperatureinflusszonen bei Laserschneideprozessen.
Experimente mit hoher Empfindlichkeit bezüglich initialer Ermüdungsschädigung. Die Dämpfung und damit das Signal-Rausch-Verhältnis sind durch die Miniaturisierung der Proben signifikant reduziert. Vorgänge wie die Bildung von Gleitbändern, Extrusionen oder die Rissinitiierung lassen sich somit messen. Dies erlaubt Rückschlüsse auf Ermüdungsmechanismen.
Beschleunigte Ermüdungsuntersuchungen. Durch die reduzierte Dämpfung und die vorteilhafte Skalierung der Resonanzfrequenz bei der Miniaturisierung können Ermüdungseigenschaften auch bei Lastspielzahlen bis zu 109 innerhalb weniger Tage ermittelt werden. Hierbei werden Frequenzeffekte bei der Ermüdung berücksichtigt.
Definierte Belastungsbedingungen und eine vollwertige zeitaufgelöste Repräsentation des Probenzustandes. Analytische Methoden zur Ermittlung der Mikrostruktur oder der lokalen Oberflächenrauheit können für die gesamte Probe innerhalb tragbarer Messzeiten erfasst werden. Mittels dieser vollwertigen Datenkollektionen lassen sich Abhängigkeiten extrahieren, die ansonsten unentdeckt bleiben können. Dies kann beispielsweise durch Data Mining mittels Methoden des maschinellen Lernens erzielt werden.
Portierung vollwertiger Repräsentationen in Simulationsmethoden wie Kristallplastizitäts Finite Elemente Methode (engl. CPFEM) oder diskrete Versetzungsdynamik. Diese rechenintensiven Methoden können mit ähnlichen Probenvolumina umgehen. Über die Verknüpfung und Synergie zwischen Simulation und Experiment auf derselben Skala können dann wiederum Erkenntnisse über Triebkräfte der Ermüdung abgeleitet werden. Zudem können mikromechanische Daten zur Kalibrierung und Validierung dieser Methoden genutzt werden.