Charakterisierung von auxetischen Metamaterialien zur Modellbildung und Simulation von neuen Leichtbaustrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Diebels; Professor Dr.-Ing. Hans-Georg Herrmann
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393104950

In dem beantragten Projekt sollen Verfahren erarbeitet werden, mit deren Hilfe im Leichtbau eingesetzte metallische Werkstoffe durch neue, auxetisch mikrostrukturierte Materialien ersetzt werden können. Dazu müssen auxetische Strukturen charakterisiert und modelliert werden. In diesem Projekt liegt der Fokus auf 2D-Blechstrukturen als Metamaterialien. Die Werkstoffeigenschaften dieser Strukturen müssen deshalb sehr genau bekannt sein, wenn das Bauteilverhalten in der Anwendung realistisch berechnet werden soll. Dazu müssen zunächst die mechanischen Eigenschaften in Frage kommender Materialien experimentell untersucht und theoretisch beschrieben werden. Daher ist ein erstes Ziel des Vorhabens, das mechanische Verhalten metallischer Werkstoffe mit unterschiedlicher Mikrostruktur mithilfe von neu zu entwickelnden zerstörungsfreien Methoden zu charakterisieren.In der ersten Projektphase soll das mechanische Verhalten von 2D-Blechstrukturenuntersucht werden. Die Entwicklung der neuen Materialmodelle soll sich insbesondere auf ausgedehnte experimentelle Untersuchungen und auf numerische Homogenisierungsstrategien stützen. Dadurch wird geklärt, welches die entscheidenden Faktoren der Mikrostruktur sind, die die auxetischen Materialeigenschaftenmakroskopisch definieren.Auf dieser Basis werden makroskopische elastisch-plastische Materialmodelle für mikrostrukturierte Metamaterialien entwickelt, mit denen das mechanische Verhalten von schalenartigen auxetischen Leichtbaustrukturen besser beschrieben werden kann als bisher. Dazu wird die hier vorgeschlagene Modellierung deutlich weiter greifen als die bisher üblichen Modelle und neben plastischen Effekten auch die Anisotropie typischer auxetischer Materialien einbeziehen. Die Beschreibung muss daher auch große Deformationen einschließen. Die Implementierung der Modelle in einen Finite-Elemente-Code ermöglicht es schließlich, mithilfe von numerischen Simulationen das mechanische Verhalten von auxetischen Blechstrukturen verlässlich vorherzusagen. Die experimentellen Versuche, die an den 2D-Blechstrukturen durchgeführt werden, sollen mithilfe von zfP-Methoden des LLB überwacht werden. Hierfür soll einerseits die Thermografie weiterentwickelt werden, um für elastisch-plastisches Verhalten die Temperaturänderungen im Werkstoff mit Dehnungs- und Spannungszuständen korrelieren zu können. Andererseits sollen mithilfe der Digital Image Correlation (DIC) Verformungen des Bauteils gemessen werden. Durch eine geeignete Kombination dieser beiden Verfahren sollen die jeweiligen Vorteile genutzt werden, um eine bestmögliche in situ-Charakterisierung der Probe auf Mikro- und Makro-Ebene zu ermöglichen. Zudem soll der elektromagnetisch induzierte Ultraschall (EMUS) verwendet werden, umDickenänderungen während der Versuche aufzeichnen zu können. Ein weiterer Vorteil von EMUS ist die Möglichkeit, auch in situ-Messungen der Werkstoffeigenschaften während der mechanischen Last-Versuche durchführen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen