Charakterisierung von auxetischen Metamaterialien zur Modellbildung und Simulation von neuen Leichtbaustrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt stand die Untersuchung und mechanische Charakterisierung von auxetischen Strukturen, gefertigt aus 2D-Blechstrukturen einer Aluminiumlegierung, im Fokus. Das Hauptziel war, ein umfassendes Verständnis des Verhaltens dieser speziellen Klasse von mechanischen Metamaterialien zu erlangen, um ihre Einsatzmöglichkeiten in Leichtbauanwendungen zu optimieren. Auxetische Materialien zeichnen sich durch eine negative Querkontraktionszahl aus, die eine Ausdehnung senkrecht zur Zugbelastungsrichtung ermöglicht, im Gegensatz zu konventionellen Materialien, die unter Zugbelastung einschnüren. Diese einzigartige Eigenschaft, kombiniert mit einer reduzierten Dichte und verbesserten mechanischen Kennwerten wie erhöhtem Schermodul und Energieabsorptionsfähigkeit, macht auxetische Materialien zu einer vielversprechenden Alternative für den Einsatz in neuen Leichtbaukonstruktionen. Die Charakterisierung der auxetischen Strukturen erfolgte durch uniaxiale und biaxiale Zugversuche. Diese wurden ergänzt durch die Entwicklung eines innovativen in-situ Prüfsystems, das digitale Bildkorrelation (DIC) und Thermographie kombiniert, um sowohl den lokalen Dehnungszustand als auch die Temperaturveränderungen infolge von Plastifizierungsvorgängen präzise zu erfassen. Ein zentrales Ergebnis dieses Projektes war die Entwicklung eines elasto-plastischen Materialmodells, das in der Lage ist, das komplexe Verhalten der auxetischen Strukturen unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu simulieren. Die erfolgreiche Identifikation eines geeigneten repräsentativen Volumenelements (RVE) ermöglichte das Verhalten von auxetischem Blech in größerem Maßstab mit geringem Rechenaufwand abzubilden. Darüber hinaus wurden zusätzliche zerstörungsfreie Prüfmethoden angewendet, um das Deformationsverhalten und spezifische Eigenschaften der auxetischen Strukturen weiter zu analysieren. Mittels thermoelastischer Spannungsanalyse konnte die Verteilung von Zug- und Druckspannungen auf der Probenoberfläche lokalisiert und quantifiziert werden. Computertomographie und -radiographie ermöglichten die detaillierte Untersuchung der Veränderungen in der Blechdicke und des Deformationszustandes, während Hochfrequenz-Ultraschallmessungen weitere wertvolle Einblicke in die mechanisch induzierten Veränderungen der Strukturen lieferten. Zusammengefasst hat dieses Projekt fundamentale Erkenntnisse über das Verhalten und die Eigenschaften von auxetischen Strukturen geliefert. Die Ergebnisse, insbesondere das entwickelte Materialmodell und die gewonnenen mechanischen Kennwerte, bilden eine solide Basis für die Anwendung dieser Materialien in zukünftigen Leichtbaukonstruktionen und eröffnen neue Wege für das Design und die Optimierung von Metamaterialien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Experimental and Theoretical Investigations of Auxetic Sheet Metal. Advanced Structured Materials, 689-707. Springer International Publishing.
Gordanshekan, Arash; Heib, Tobias; Ripplinger, Wolfgang; Herrmann, Hans-Georg & Diebels, Stefan
