Modelling of the mechanical properties of strengthened metal foams on different scales
Mechanics
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die Aufklärung der Struktur-Eigenschafts-Beziehung von Hybridschäumen, um eine Analyse des Schaums und der Beschichtung bezüglich der mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit vorzunehmen. Dazu sollte sowohl das lokale Verhalten auf der Mikroskala (Stege) als auch das globale Deformationsverhalten auf der Makroskala (Bauteil/Probe) untersucht werden. Hierzu sollten der elektrochemische Beschichtungsprozess upgescaled und optimiert werden, experimentelle Versuche auf der Mikro- und Makroskala durchgeführt werden und numerische Simulationen sowie eine numerische Homogenisierung zwischen einem Mikromodell, bestehend aus einem RVE und der Makroskala durchgeführt werden. Aufgrund von Lieferproblemen der als Beschichtungssubstrate benötigten Al-Schäume kam es leider zu zahlreichen Projektverzögerungen. Nichtsdestotrotz entstand daraus aber auch die Entwicklung des innovativen Materials der Ni/PU-Hybridschäume. Im Gegensatz zu den geplanten Ni/Al-Hybridschäumen sind die PU-Substrate der Ni/PU-Schäume fast allseits verfügbar und sind um den Faktor 100 preisgünstiger als die Al-Substrate, was eine zukünftige Anwendung als Leichtbauwerkstoff und/oder Energieabsorber erleichtert. Im Bereich der Beschichtung wurden auch neue Legierungen entwickelt, die die Eigenschaften der Hybridschäume erheblich verbessern. Im Gegensatz zum Stand der Forschung beschäftigte sich das Projekt nicht nur mit der Mehrskalensimulation sondern auch mit der experimentellen Charakterisierung auf allen Skalen. Experimentell wurde nicht nur wie geplant die Mikro- und Makroskala der Schäume untersucht, sondern auch erstmals die Mesoskala durch Versuche an Einzelporen, die gezeigt haben, dass daraus weitreichende Informationen für das Materialverhalten der Schäume gewonnen werden können. Weiter entstand auf der Makroskala der bisher größte experimentelle Datenpool zu Al-Schäumen, den es bisher in der Literatur gibt. Dabei wurde nicht nur der Druckbereich, sondern im gleichen Umfang auch der Zugbereich betrachtet und der Einfluss der Porengröße untersucht. Aufgrund der Lieferprobleme der Schaumsubstrate konnte für die Hybridschäume nur noch ein Teil der geplanten Fließflächen abgebildet werden. Dies stellt aber die ersten Daten in dieser Art überhaupt für Hybridschäume dar. Gerade mit der mikromechanischen Materialcharakterisierung, beispielsweise durch Mikrozugversuche an Einzelstegen und Einzelporen, gekoppelt mit einer automatisierten Parameteridentifikation wurde teilweise Neuland betreten. Dazu wurde ein multifunktionaler Teststand für Mikroversuche inklusive einem stereoskopischen Verfahren zur Querschnittsbestimmung der Stege entwickelt. Bekannt war bereits, dass die Mikromaterialeigenschaften der Stege von denen des Vollmaterials abweichen. Überraschend war jedoch, dass es zu einer Zug-Druck-Asymmetrie im Materialverhalten der AlSi-Legierung der Schäume kam, die aber auf allen Skalen bestätigt werden konnte. Die in dem Projekt geleisteten Arbeiten auf der Mikroskala haben das neu aufkommende Forschungsgebiet der mikromechanischen Materialcharakterisierung erheblich vorangebracht. Im Bereich der Datenverarbeitung von CT-Daten wurde zusätzlich zur Segmentierung der Daten ein Verfahren basierend auf Algorithmen der Bildverarbeitung von uns entwickelt das es ermöglicht, Artefakte in den Aufnahmen zu beseitigen. Es wurde im Bereich von RVEs die FCM angewendet, um eine effiziente Methode zur Simulation von Metallschäumen zu entwickeln. Dabei wurde die FCM erstmals für finite Deformationen auf ein elasto-plastisches Modell erweitert. Die Entwicklung eines neuen Modells zur Beschreibung von Metallschäumen ohne Fließflächen ist bisher nur für den 1D-Fall umgesetzt. Zusätzlich konnten die Experimente allerdings durch die Fließfläche nach Bier et al. mittels einer Parameteridentifikation angepasst werden. Aufgrund kleiner geometrischer Unterschiede der Steggeometrie zwischen den Porengrößen zeigt sich für 10 ppi Schäume eine symmetrische Ellipse, während alle anderen Porengrößen zu einer asymmetrischen Fließfläche führen. Die Homogenisierung wurde in diesem Projekt zum einen über die Anwendung der Window-Methode realisiert, zum anderen wurden aber mittels numerischer Parameteridentifikation effektive Eigenschaften aus den Einzelporenexperimenten erfolgreich identifiziert. Damit ist das Projekt trotz der Probleme mit der Lieferung der Al-Schäume erfolgreich verlaufen. Es wurden sowohl im Bereich der Synthese, der Mehrskalenmaterialcharakterisierung als auch dem Datenhandling von CT-Daten und im Bereich der numerischen Simulation zahlreiche neue Methoden entwickelt und/oder verbessert.
Publications
- (2018) Experimental and numerical investigation of single pores for identification of effective metal foams properties. Z. Angew. Math. Mech. (ZAMM - Journal of Applied Mathematics and Mechanics / Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik) 98 (5)
Heinze, S.; Bleistein, T.; Düster, A.; Diebels, S.; Jung, A.
(See online at https://doi.org/10.1002/zamm.201700045) - (2018) The finite cell method for nearly incompressible finite strain plasticity problems with complex geometries. Computers & Mathematics with Applications 75 (9) 3298–3316
Taghipour, Aliakbar; Parvizian, Jamshid; Heinze, Stephan; Düster, Alexander
(See online at https://doi.org/10.1016/j.camwa.2018.01.048) - „Micro structural motivated phenomenological modelling of metal foams – Experiments and Modelling”, Arch. Appl. Mech. 85, (8), 1147-1160 (2015)
A. Jung, T. Grammes, S. Diebels
(See online at https://doi.org/10.1007/s00419-014-0942-y) - „Microtensile testing of open-cell metal foams - Experimental setup, micro mechanical properties”, Mater. Des. 88, 1021-1030 (2015)
A. Jung, M. Wocker, Z. Chen, H. Seibert
(See online at https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.09.091) - „Numerical homogenization of hybrid metal foams using the finite cell method", Comput. Math. Appl. 70, 1501-1517 (2015)
S. Heinze, M. Joulaian, A. Düster
(See online at https://doi.org/10.1016/j.camwa.2015.05.009) - “Modelling of Metal Foams by a Modified Elastic Law” Mech. Mater. 101, 61-70 (2016)
A. Jung, S. Diebels
(See online at https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2016.07.007) - „Micromechanical characterisation of Ni/Al hybrid foams by nano- and microindentation coupled with EBSD”, Acta Mater. 102, 38-48 (2016)
A. Jung, Z. Chen, J. Schmauch, C. Motz & S. Diebels
(See online at https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.09.018) - „Synthesis and Mechanical Properties of Novel Ni/PU Hybrid Foams: A New Economic Composite Material for Energy Absorbers”, Adv. Eng. Mater. 4, 532-541 (2016)
A. Jung, S. Diebels
(See online at https://doi.org/10.1002/adem.201500405) - Encyclopedia of Computational Mechanics, Second Edition, Edited by Erwin Stein, René de Borst and Thomas J.R. Hughes. Volume 2: Solids and Structures, John Wiley & Sons, Ltd (2017): „The p-Version of the Finite Element and Finite Cell Methods”
A. Düster, E. Rank, B. Szabó
(See online at https://dx.doi.org/10.1002/9781119176817.ecm2003g) - „Microstructural characterisation and experimental determination of a multiaxial yield surface for open-cell aluminium foams” Mater. Des. 131, 252–264 (2017)
A. Jung, S. Diebels
(See online at https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.06.017)
