Verbundwerkstoffe

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Finite Elemente Modell zur Designoptimierung einer Peristaltikpumpe aus CFK-Piezo-Biegeaktuatoren.© Fraunhofer IWM

Wir untersuchen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Verbundwerkstoffen mit Polymer-, Keramik- und Metall-Matrix, um ihr Einsatzverhalten zu bewerten. Unsere werkstoffgerechten Prüfkonzepte berücksichtigen die Materialstruktur und die realen Beanspruchungsbedingungen. Die Übertragung von Proben-Kennwerten auf Bauteile erfolgt durch die Kombination von experimentellen und numerischen Methoden. Mit neu entwickelten Werkstoff- und Schädigungsmodellen können wir das Einsatz- und Versagensverhalten vorhersagen und somit Zeit und Kosten bei der Material- und Bauteilentwicklung einsparen.

Leistungen

  • Ermittlung mechanischer und bruchmechanischer Kennwerte von Verbundwerkstoffen unter Berücksichtigung der Anisotropie und der Einsatzbedingungen
  • Mechanische Bewertung von Verbundwerkstoffen mit Polymer-, Keramik- und Metallmatrix, GFK, CFK, CMC, MMC
  • Entwicklung von Prüfkonzepten für neu entwickelte Verbundwerkstoffe, Werkstoffverbunde und Komponenten unter Berücksichtigung von Temperatureinflüssen, Kriechen und Ermüdung
  • Biaxiale Belastung von Faserverbundwerkstoffen, z.B. Innendruck + Zug von Rohren aus GFK und CFK
  • Vorhersage der effektiven Eigenschaften von aktiven Verbundwerkstoffen mit integrierten (Multilayer)Piezokeramiken sowie Ermittlung von Einsatzgrenzen und Lebensdauer
  • Experimentelle und numerische Schädigungsanalysen zur Bewertung und Verbesserung des Einsatz- und Versagensverhaltens von Verbundwerkstoffen

Themen

Höchsttemperaturprüfung von Faserkeramiken bis 2000 Grad Celsius.

Sicherer Einsatz von Verbundwerkstoffen – Mechanische Charakterisierung

Die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen mit Polymer-, Metall- oder keramischer Matrix werden unter Einsatzbedingungen gemessen. Hierbei werden statische, quasistatische, zyklische und dynamische Belastungen unter Zug-, Druck- und Schub- sowie Mixed-Mode-Belastungen realisiert. Es werden die Mikrostruktur und Anisotropie sowie die verfügbaren Probenabmessungen berücksichtigt. Folgende Ziele stehen dabei im Mittelpunkt:
- Ermittlung von Einsatzgrenzen, Festigkeiten und Steifigkeiten
- Aufklärung des Zusammenhangs von Herstellung, Mikrostruktur und Eigenschaften
- Kennwertermittlung für die Werkstoff- und Bauteil-Simulation
- Hinweise zur Werkstoff- und Bauteiloptimierung
Neben den Prüfungen nach Norm werden Prüfkonzepte entwickelt, erprobt und bewertet, welche den speziellen Belangen der Verbundwerkstoff- und Bauteilhersteller sowie der Anwender gerecht werden. Beispielsweise werden Faserkeramiken bei Prüftemperaturen bis zu 2.000 °C untersucht.

B. Thielicke, M. Grigo, J. Dreißig:
LFT-Kennwerte aus Zugversuchen, Konstruktion, 10, 2009, IW 8

Biaxiale Beanspruchung von GFK-Rohren. (PDF)

»Handout  FVW_sicher_einsetzen«. (PDF)

Qualifizierung von neuartigen Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen
für Anwendungen im Leichtbau. (PDF)

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DCB-Test zur Ermittlung der interlaminaren Bruchzähigkeit, Mode I - Belastung.

Experimentelle und numerische Schädigungsanalysen

Es steht eine Vielzahl von experimentellen Tests zur Verfügung, mit denen die fortschreitende Schädigung und die Rissausbreitung in Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden untersucht werden können. Die für laminierte Verbundwerkstoffe entwickelten Tests werden zunehmend auch zur Charakterisierung von Klebe- und Lötverbindungen oder der Grenzflächen von Hybridverbunden angewendet. Hierbei kann der Einfluss von Temperatur und unterschiedlichen Atmosphären berücksichtig werden. Die gewonnenen Daten ermöglichen in Kombination mit Finite-Elemente-Analysen Aussagen zur Lebensdauer und Zuverlässigkeit dieser Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Hierfür werden neben kommerziell verfügbaren Materialmodellen auch selbst entwickelte mikrostrukturbasierte Schädigungsmodelle angewendet.

Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Einsatz von piezoelektrischen Sensoren und Aktuatoren. (PDF)


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Modellierung von Grenzflächenablösung und Rissfortschritt in lamellaren MMC.

Virtuelles Werkstoffdesign

Gefüge von Verbundwerkstoffen werden in realitätsgetreue Finite-Elemente-Modelle überführt. Unterschiedliche Matrizes, Grenzflächen und Gefüge von Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden können im Modell beliebig kombiniert werden. Die Ergebnisse dieser Werkstoffsimulation liefern so wichtige Hinweise für die zielgerichtete Entwicklung von Verbundwerkstoffen und -komponenten mit optimierten Eigenschaften.

Mikrostrukturbasierte Werkstoffsimulation für Verbundwerkstoffe. (PDF)

Ein Beispiel ist die Realisierung einer peristaltischen Mikropumpe in CFK-Piezo-Verbundbauweise auf Basis von FE-Design-Studien. (PDF)

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Publikationen

Publikationen zu Piezo-Verbunden

  • M. Gall, B. Thielicke, A. Huart: Development of a peristaltic micro-pump based on PZT bending actuators, Proc. Actuator 2006, Bremen
  • H.-J. Schreiner, T. Baier, H. Baumann, R. Bindig, M. Gall, H. Schmitz, B. Thielicke, Development of an implantable peristaltic micropump system, Proc. Actuator 2008, 827-829
  • B. Thielicke , T. Gesang, P. Wierach: Reliability of piezoceramic patch sensors under cyclic mechanical loading, Smart Mater. Struct. 12, 993-996 (2003)
  • M. Gall, B. Thielicke, C. Poizat, S. Klinkel, Finite Element Formulation of a Piezoelectric Continuum and Performance Studies of Laminar PZT-Patch-Modules, in Coupled Nonlinear Phenomena - Modeling and Simulation for Smart, Ferroic, and Multiferroic Materials, edited by R.M. McMeeking, M. Kamlah, S. Seelecke, and D. Viehland (Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 881E, Warrendale, PA, 2005), CC3.3.
  • M. Gall, B. Thielicke: Life-span investigation of piezoceramic patch sensors and actuators. Behavior and Mechanics of Multifunctional and Composite Materials 2007, ed. by Marcelo J. Dapino, Proc. of SPIE vol. 6526, 65260P-1
  • M. Gall, B. Thielicke, I. Schmidt, Integrity of piezoceramic patch transducers under cyclic loading at different temperatures, Smart Mater. Struct. (Application accepted)

Publikationen zu MMC

  • A. Neubrand, "Metallinfiltrierte Keramiken", in "Technische Keramische Werkstoffe", Kriegesmann, J.(Hrsg.), Deutscher Wirtschaftsdienst, Köln 1989–2005, Kap. 3.6.6.1, 1-33 (2005)
  • A. Neubrand, R. Westerheide, B. Thielicke, K.-H. Lang, O. Ulrich, B. Huchler, D. Staudenecker, A. Nagel, "Werkstoffmechanische Bewertung von Al2O3/AlSi12- und TiO2/AlSi12-Preform-MMCs", Tagungsband Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, M. Schlimmer (Hrsg.), Werkstoffinformationsgesellschaft Frankfurt 2005, S. 81-86
  • G. Standke, T. Müller, A. Neubrand, J. Weise, R. Westerheide, "Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe auf Basis von Hochleistungs-Schaumkeramiken",Tagungsband Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, M. Schlimmer (Hrsg.), Werkstoffinformationsgesellschaft Frankfurt 2005, S. 257-262
  • A. Neubrand, "Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe für die Automobilindustrie", VDI Zeitschrift Konstruktion, Ausgabe 9/2006, S. IW10-11
  • A. Neubrand, A. Nagel, "Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen im Druckguss", Gießerei, Ausgabe 06/2007, S.156-161
  • T. Ziegler, A. Neubrand, S. Roy, A. Wanner, "Elastic Constants of Metal/ceramic Composites with Lamellar Microstructure: Finite Element Modelling and Ultrasonic Experiments“, Composite Science and Technology 69, 620-626 (2009)
  • T. Ziegler, A. Neubrand, „Modellierung der Eigenschaften und des Versagens von Metallmatrixverbundwerkstoffen mit lamellarer Struktur“, Tagungsband Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, W.Krenkel (Hrsg.), Wiley VCH, Weinheim 2009, S. 46-51

Publikationen zu CMC, CFK

  • B. Thielicke, M. Grigo, J. Dreißig, LFT-Kennwerte aus Zugversuchen, Konstruktion, 10, 2009, IW 8
  • B. Thielicke, A. Neubrand, A. Kienzle: Four Point Bending Tests of a C/SiC Material for industrial Application under quasistatic and cyclic loading, Proc. HTCMC-5, Seattle, Sept 2004
  • A. Neubrand, B. Thielicke, E. Hirsch: Investigation of the Notch Sensitivity of Short Fibre Reinforced C/SiC, Proc. HTCMC-5, Seattle, Sept 2004
  • A. Neubrand, R. Schäfer, R. Schäuble, B. Thielicke, R. Westerheide: Material Design Studies for Creep and Thermal Shock Resistant Oxide Ceramic Matrix Composite, proc. HTCMC-5, Seattle, Sept 2004
  • R. Schöll, B. Thielicke, Wabentanks zur Erdgasspeicherung aus Faserverbundwerkstoff - Optimale Nutzung vorhandener Bauräume in Automobilen, Konstruktion, Juli 2008, Fachteil Ingenieur-Werkstoffe, 13-14