#Experimentell - Reibrührschweißen von thermoplastischen Kunststoffen

Hintergrund

Gegenwärtig werden in Leichtbaustrukturen vorwiegend faserverstärkte Kunststoffe (FVK) mit duroplastischer Matrix verwendet. Vermehrt rücken aber auch FVKs mit thermoplastischer Matrix in den Fokus der Leichtbauforschung, u. a. wegen der besseren Recyclierbarkeit und den geringeren Kosten. Damit einhergehend werden passende Fügeverfahren untersucht, insbesondere das Reibrührschweißen.

Aufgabenstellung

In dieser Arbeit soll das Reibrührschweißen in der lehrstuhleigenen Werkhalle erstmals durchgeführt werden. Die genaue Umsetzung ist dabei nicht vorgegeben, sondern ein wesentlicher Teil dieser Arbeit. Bei den Materialtests der gefertigten Proben kann auf die vorhandenen Prüfmaschinen zurückgegriffen werden

Schritte

• Literaturrecherche
• Planung und Aufbau eines Versuchsstands
• Durchführung der Reibrührschweißversuche
• Materialtests der gefertigten Proben
• Dokumentation des Vorgehens und der Ergebnisse

Voraussetzungen

• Interesse an experimenteller Arbeit
• Handwerkliches Geschick

Kontakt

Bei Interesse wenden Sie sich bitte an:

Erhard Buchmann
Tel.: 089-6004-3252
Büro: Geb. 37, Raum 1107
eMail: erhard.buchmann@unibw.de

#Experimentell - Herstellung und Untersuchung von Leichtbau-CFK-Gittern Sandwichkerne mittels 3D-Druckform

Hintergrund

Geometrisch gestaltete Sandwichkerne in Kombination mit Hochleistungswerkstoffen wie Faserverbundwerkstoffe bieten neue Erkenntnisse für die Entwicklung von neuen Materialien der Interessensgebiete der Luft- und Raumfahrt, Optikbranche und andere ähnliche Unternehmen [1], aufgrund ihrer großen Vielseitigkeit, hohe Belastbarkeit und Stabilität.

Im Rahmen des Projekts namens "Development of ultra-light weight CFRP sandwich cores" [2] arbeiten das Institut für Leichtbau (LRT6) und das Institut für Produktentwicklung (LRT3) an der UniBw zusammen. Ziel dieses Projekts ist es daher, neuartige Sandwichkerne auf der Basis von CFK-Stäbe zu entwickeln und gleichzeitig neue Fertigungspfade zu implementieren, die durch 3D-Drucktechniken unterstützt werden [3].

Zur Fortsetzung einen Teil dieser Arbeit werden originelle Ansätze und neue Methoden für den Aufbau von CFK-Materialen.

Aufgabenstellung

Kommende Bachelorarbeit befasst sich mit der Herstellung und Analyse von Ultraleichtkernen. Dichten unter 50 kgm^-3 sind zu erzielen. Dabei bieten CFK-Stäbe mit verschieden Durchmessern eine simple, aber effektive Wahl für den Aufbau dieser Strukturen sowie CFK-Laminaten als Deckshäute, wobei eine 3D-gedruckte Form als Träger verwendet wird. Die Form muss erst mit einer CAD-Software entworfen werden.

Zur Überprüfung dieser Strukturen werden einachsige quasistatische Druck- und Schubtesten durchführen.

Bei der Untersuchung der CFK-Sandwichplatten wird sich ein unterschiedliches Spannungsverhalten in Bezug auf den Einfluss des Durchmessers ergeben. Durch makromechanischen Analysen konnten die Versagensarten der Proben im Voraus untersucht werden.

Arbeitsumfang

• Einarbeitung in die Theorie sowie eine Literaturrecherche,
• Wahl der Größe, Konfiguration und Fertigungsstrategien der Probe,
• CAD-Dateiparametrierung und negative CAD-Grün-Entwicklung der Sandwichkerne,
• Herstellung der Sandwichkerne,
• Untersuchung des mechanischen Verhaltens,
• Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung,
• Dokumentation und übersichtliche Darstellung der Ergebnisse.

Literatur

[1] Allen, H.G., Analysis and design of structural sandwich panels. 1969, Oxford; New York: Pergamon Press.

[2] Vitale, J.P., et al., Manufacturing and compressive response of ultra-lightweight CFRP cores. Composite Structures, 2018.194: p. 188-198.

[3] Montero, J., Paetzold, K., Bleckmann, M. and Holtmannspoetter, J. (2018), “Re-design and re-manufacturing of discontinued spare parts implementing additive manufacturing in the military field”, 15th International Design Conference.

Kontakt

Bei Interesse wenden Sie sich bitte an:

Pablo Vitale
Tel.: 089-6004-3250
Büro: Geb. 37, Raum 1105
eMail: pablo.vitale@unibw.de

#Berechnung - Simulation von zylindrischen CFK-Proben unter kombinierter Axial- und Torsionsbelastung und Untersuchung von Probenparametern und Krafteinleitungselementen

Hintergrund

Neben der zur Materialkennwerteermittlung üblichen einachsigen Werkstoffprüfung sind insbesondere bei anisotropen Werkstoffen wie CFK real auftretende Belastungszustände abzubilden und prüfen zu können von großem Interesse. Dazu wird derzeit am Institut für Leichtbau eine Prüfeinrichtung entworfen, die rohrförmige CFK-Proben biaxial auf Zug-/Druck- und Torsionskräften belasten kann. Diese kombinierte Belastung soll dabei dynamisch aufgebracht werden. Durch diese Art der Werkstoffprüfung wird es möglich, jeden biaxialen Belastungszustand auf einen Probekörper aufzubringen, sowohl statisch, als auch dynamisch.

Aufgabenstellung

Um abschätzen zu können welche Spannungen an den Proben auftreten und insbesondere wie die Kräfte über geeignete Einleitungselemente in die Probe übertragen werden können, soll hierzu zunächst eine analytische Berechnung und anschließend eine numerische Simulation durchgeführt werden. Dabei sollen verschiedene Probenparameter (Laminataufbau, Durchmesser, Wandstärke, etc.), sowie Konzepte zur Krafteinleitung untersucht werden.

Arbeitspunkte

• Literaturrecherche: Grundlagen Faserverbundkunststoffe, Krafteinleitungselemente, Werkstoffprüfung von zylindrischen Proben aus FVK, numerische Simulation von Faserverbundkunststoffen
• Abschätzung der Probenspannungen und Versagenslasten mittels Klassischer Laminattheorie (CLT) als Parameteruntersuchung
• Entwurf von Konzepten für die Krafteinleitung
• Abbildung, Simulation und Parameteruntersuchung mittels FEM

Notwendiges Vorwissen

• Grundkenntnisse Faserverbundkunststoffe (insbesondere CLT) wünschenswert
• Kenntnisse in CAD und Finite Element Methoden, optimaler Weise Simulation von FVK
• Eigenständige und strukturierte Arbeitsweise

Kontakt

Bei Interesse wenden Sie sich bitte an:

Nikolas Korte M.Sc.
Tel.: 089-6004-3252
Büro: Geb. 37, Raum 1107
eMail: nikolas.korte@unibw.de

#Berechnung - Entwicklung eines Materialmodells für die Simulation des Heiß-Isostatischen-Pressens von additiv gefertigen Bauteilen

Hintergrund

Das Heiß-Isostatische-Pressen (HIP) ist das Standard Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von additiv gefertigten Metallbauteilen. Dabei wird das Bauteil unter hohem Druck von ca. 500 bar - 3000 bar und bei Temperaturen von ca. 500 °C – 1400 °C in einem Inertgas ausgelagert [1]. Unter diesen Bedingungen schrumpfen die Poren [2] und Eigenspan-nungen und Gefüge werden homogenisiert [3]. Das Ergebnis ist dabei jedoch sehr stark von den ge-wählten Prozessparametern und der Bauteilgeometrie abhängig und kann unter Umständen auch zu starkem Verzug und einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen. Hinzu kommt, dass im Gegensatz zur konventionellen Wärmebehandlung das HIP-Verfahren sehr teuer ist. Somit ist das Optimieren des HIP-Prozesses per trial and error ein sehr kostspieliges Unterfangen.

a)    b) 

μCT-Scan einer additiv gefertigten Titanprobe vor (a) und nach (b) dem HIP-Prozess. Poren sind zur besseren Übersicht rot eingefärbt [2].

Aufgabenstellung und Arbeitsumfang

Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Materialmodell für die Simulation des HIP-Prozesses erstellt wer-den, dass in Abhängigkeit der Prozessparameter die relevanten lokalen Gegebenheiten (z.B. Eigen-spannungen, Gefüge, Porenverteilung, Materialkennwerte) abschätzt. Dies umfasst die nachfolgen-den Schritte:

• Literaturrecherche zu den dem HIP-Prozess zu Grunde liegenden physikalischen Prozessen
• Entwicklung einer Simulationsmethode für den HIP-Prozess auf Basis einer gekoppelten thermischen Spannungsanalyse (ABAQUS Standard) unter Berücksichtigung von:
  • Eigenspannungen
  • Verzug
  • Gefügeumwandlungen
  • Porenschrumpf

Kontakt

Bei Interesse wenden Sie sich bitte an:

Dr.-Ing. Stefan Slaby
Tel.: 089-6088-3815
eMail: slaby@iabg.de

Literatur

[1] B. P. L. 333 The Sty, 47 Upper King Street, Royston, Hertfordshire SG8 9AZ (01763) 222, „The Effects of Hot Isostatic Pressing of Platinum Alloy Castings on Mechanical Properties and Microstructures“, Johnson Mat-they Technology Review, 10-Juli-2015. 

[2] S. Tammas-Williams, P. J. Withers, I. Todd, und P. B. Prangnell, „The Effectiveness of Hot Isostatic Pressing for Closing Porosity in Titanium Parts Manufactured by Selective Electron Beam Melting“, Metall. Mater. Trans. A, Bd. 47, Nr. 5, S. 1939–1946, Mai 2016.

[3] E. Uhlmann, R. Kersting, T. B. Klein, M. F. Cruz, und A. V. Borille, „Additive Manufacturing of Titanium Alloy for Aircraft Components“, Procedia CIRP, Bd. 35, S. 55–60, Jan. 2015.