Mechanische Materialeigenschaften im Mikromaßstab

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Meso- und Mikromechanik

© Fraunhofer IWM
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

 

  • Präparation von Mikroproben (Laserschneiden, Mikrodrahterosion, Stanzen, und Fräsen)
  • Konzeption und Durchführung von Zug-, Biege- und Biegeresonanzversuchen an Mikroproben
  • Entwicklung und Optimierung mikromechanischer Versuchsstände und entsprechender Software
  • Berührungslose Dehnungsmessung mittels DIC (Digital Image Correlation)
  • Detektion von Ermüdungsschädigungen vor der Rissbildung
  • Sensitivitätsanalysen hinsichtlich Mikrostruktur- und Defektverteilungen
  • Datengetriebene Ansätze wie beispielsweise Deep Learning basierte semantische Segmentierung von Schädigungsstellen
  • Entwicklung mechanischer Metamaterialien (Modellierung und experimentelle Validierung)

 

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.

 

 

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Themen

 

Mechanische Untersuchungen an Mikroproben


Unsere mikromechanischen Versuchsaufbauten sind für die Untersuchung von Proben im Mikrometerbereich optimiert. Das ermöglicht uns die Untersuchung kleinster Bauteile sowie die Bestimmung lokaler Eigenschaften makroskopischer Bauteile. Damit können mechanische Skalen- und Skalierungseffekte...

 

Detektion von Ermüdungsschädigung noch vor der Rissbildung

 

Mit der von uns entwickelten multiaxialen Resonanzermüdungs-apparatur detektieren wir frühe Ermüdungserscheinungen wie Poren-, Gleitband-, Extrusions- und Rissinitiierung in einzelnen Körnern und das Wachstum von Mikro- und Kurzrissen über ein charakteristisches Absinken der Resonanzfrequenz...

 

 

 

 

Berührungslose Dehnungsmessung mit Digital Image Correlation (DIC)


Die von uns untersuchten Mikroproben haben oftmals eine Abmessung von nur einigen zehn oder hundert Mikrometern. Um während der Durchführung von Biege- oder Zugversuchen die Probe nicht zusätzlich zu beschädigen... 

 

 

 

Entwicklung von Nanostrukturen zur Erzeugung mechanischer Metamaterialien

 

Um mechanische Eigenschaften von Materialien gezielt zu entwerfen nutzen wir die dreidimensionale Nanolithographie. Dabei werden aus einem Fotolack fachwerkartige Strukturen mit einem Laser polymerisiert, welche Stegbreiten von nur 100 nm aufweisen können. Die Einheitszellen dieser Strukturen sind so konstruiert, dass sie in ihrer Gesamtheit die...

 

Publikationen zum Thema Meso- und Mikromechanik

 

Beiträge in Zeitschriften, Büchern und auf Konferenzen sowie Dissertationen und Projektberichte...