Charakterisierung von auxetischen Metamaterialien zur Modellbildung und Simulation von neuen Leichtbaustrukturen

Projektbeschreibung

Auxetische Materialien haben die außergewöhnliche Eigenschaft, dass sie sich unter einachsiger Zugbelastung quer zur Zugrichtung ausdehnen. Bei Druckbelastung beobachtet man dagegen eine Kontraktion in Querrichtung. Im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie sind auxetische Materialien deshalb durch eine negative Querkontraktionszahl charakterisiert, was zu einer seltenen Ausnahme zählt.

Makroskopische auxetische Strukturen können zur Verbesserung der Tragfähigkeit im Leichtbau eingesetzt werden. Ziel dieser Entwicklungen ist es, eine hohe Tragfähigkeit bei möglichst geringem Gewicht zu erreichen. Die auxetischen Metamaterialien können wegen ihrer hervorragenden Eigenschaften in naher Zukunft für viele technische Anwendungen eine wichtige Rolle spielen. Als Gründe dafür seien z.B. eine höhere Energieabsorptionsfähigkeit sowie eine höhere Steifigkeit bzw. Festigkeit gegenüber konventionellen, nicht-auxetischen Materialien und Strukturen genannt. Um auxetische Materialien und Strukturen aber erfolgreich in praktische Anwendungen integrieren zu können, ist ein umfassendes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen von entscheidender Bedeutung.

In diesem 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. Hierzu liegt der Fokus auf 2D-Blechstrukturen als Metamaterialien. Konkret werden Proben mit verschiedenen auxetischen Perforationsmustern im Sinne von deren Geometrie bzw. deren Längenverhältnisse im Betracht gezogen.

Die experimentellen Versuche, die an den 2D-Blechstrukturen durchgeführt werden, sollen mithilfe von zerstörungsfreien Prüfmethoden überwacht werden. Hierfür soll einerseits Thermografie angewandt werden, um für elastisch-plastisches Verhalten die Temperaturänderungen im Werkstoff mit Dehnungs- und Spannungszuständen korrelieren zu können. Mit der Thermografie liegt ein schnelles bildgebendes Verfahren zur oberflächennahen Charakterisierung von mikrostrukturierten Bauteilen vor, das in diesem Projekt eingeführt und weiter spezifisch angepasst werden soll. Andererseits sollen mithilfe der Digital Image Correlation (DIC) Verformungen des Bauteils lokal 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.

Auf dieser Basis werden makroskopische elastisch-plastische Materialmodelle für mikrostrukturierte Metamaterialien entwickelt, mit denen das mechanische Verhalten von schalenartigen auxetischen Leichtbaustrukturen zuverlässig beschrieben werden kann. Die Materialmodelle werden den gesamten Dehnungsbereich typischer Strukturen im Leichtbau abdecken. Die Beschreibung muss daher auch große Deformationen einschließen.

Von besonderer Bedeutung ist zudem die möglichst genaue Erfassung der Anisotropie, sowohl im elastischen als auch im plastischen Dehnungsbereich. Somit müssen die mechanischen Eigenschaften im Rahmen von anisotroper finiter Elasto-Plastizität modelliert werden. Die Implementierung der Modelle in einen Finite-Elemente-Code ermöglicht dann schließlich, mithilfe von numerischen Simulationen das mechanische Verhalten von auxetischen Blechstrukturen verlässlich vorherzusagen. Somit können zukünftig typische Strukturen im Leichtbau effizient berechnet und für die jeweilige Anwendung optimiert werden.

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