TY - THES

T1 - Bruchmechanische Untersuchungen an additiv gefertigten Bimaterial-Strukturen

AU - Oesterreicher, Florian

N1 - gesperrt bis null

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Die Natur hat im Laufe der Evolution Hochleistungswerkstoffe entwickelt, die heutzutage als Inspiration und Vorbild für zukünftige Anwendungsgebiete dienen. Diese weisen meist eine Kombination aus sehr hohen Steifigkeiten und gleichzeitig hohen Zähigkeitswerten auf. Die besonderen Eigenschaften verdanken biologische Materialien ihrer Mikrostruktur und dabei einer Kombination aus unterschiedlichen Materialien. Der große Unterschied zu technischen Materialien besteht also im inneren Aufbau. Während technische Materialien meist homogen sind, so haben biologische Materialien eine hierarchische Struktur, mit einhergehender Materialinhomogenität. Diese Komplexität bewirkt unterschiedliche Mechanismen, die zu einer sehr hohen Zähigkeit mit gleichbleibend hoher Steifigkeit führt. Um solche Eigenschaften nachzuahmen, sind einerseits Verfahren zu finden, die es ermöglichen, Materialien mit solchen speziellen Strukturen zu fertigen und andererseits Prüfmethoden zu entwickeln, um diese Eigenschaften zu beschreiben und zu quantifizieren. In der gegenständlichen Arbeit wurden Kunststoff-Mehrschichtverbunde mittels additiver Fertigung („3D Druck“) anhand der Materialextrusion nach der FFF Methode („fused filament fabrication“) hergestellt und mittels bruchmechanischer Methoden geprüft. Dazu wurde der Einfluss einer dünnen Zwischenschicht auf das Materialverhalten eines sonst spröden Grundmaterials, zur Bestimmung der Effekte der Materialinhomogenität, untersucht. Um eine Eigenschaftsverbesserung festzustellen wurde das Verhalten der Rissausbreitung betrachtet und die resultierende Risszähigkeit des Verbundes bestimmt. Es wurden zwei verschiedene Konzepte der Bruchmechanik angewendet, beginnend mit der linear elastischen Bruchmechanik, mit der Voraussetzung eines spröden Materialverhaltens, wobei es aufgrund der Prüfanordnung und dem Bruchverhalten der Probekörper zu keinem aussagekräftigen Ergebnis einer Eigenschaftsverbesserung kam. Dabei konnte jedoch festgestellt werden, dass die Prüfrichtung in Bezug auf die Anordnung der Einzelschichten der 3D-gedruckten Probekörper einen großen Einfluss auf die Materialeigenschaften hatte, mit besseren mechanischen Eigenschaften der transversalen Anordnung der Schichten. Zusätzlich wurden Versuche nach elastisch plastischer Bruchmechanik durchgeführt und das J-Integral J untersucht. Bei der Kombination von Materialien mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften konnte kein Einfluss der Zwischenschicht festgestellt werden. Die Kombination einer weichen Zwischenschicht (thermoplastisches Copolmyer) und einem spröden Grundmaterial (glykolisiertes PET) resultierte in einer deutlichen Eigenschaftsverbesserung, mit einer ca. 3-fach höheren Zähigkeit des Verbundes im Vergleich zum reinen PET-G.

AB - Die Natur hat im Laufe der Evolution Hochleistungswerkstoffe entwickelt, die heutzutage als Inspiration und Vorbild für zukünftige Anwendungsgebiete dienen. Diese weisen meist eine Kombination aus sehr hohen Steifigkeiten und gleichzeitig hohen Zähigkeitswerten auf. Die besonderen Eigenschaften verdanken biologische Materialien ihrer Mikrostruktur und dabei einer Kombination aus unterschiedlichen Materialien. Der große Unterschied zu technischen Materialien besteht also im inneren Aufbau. Während technische Materialien meist homogen sind, so haben biologische Materialien eine hierarchische Struktur, mit einhergehender Materialinhomogenität. Diese Komplexität bewirkt unterschiedliche Mechanismen, die zu einer sehr hohen Zähigkeit mit gleichbleibend hoher Steifigkeit führt. Um solche Eigenschaften nachzuahmen, sind einerseits Verfahren zu finden, die es ermöglichen, Materialien mit solchen speziellen Strukturen zu fertigen und andererseits Prüfmethoden zu entwickeln, um diese Eigenschaften zu beschreiben und zu quantifizieren. In der gegenständlichen Arbeit wurden Kunststoff-Mehrschichtverbunde mittels additiver Fertigung („3D Druck“) anhand der Materialextrusion nach der FFF Methode („fused filament fabrication“) hergestellt und mittels bruchmechanischer Methoden geprüft. Dazu wurde der Einfluss einer dünnen Zwischenschicht auf das Materialverhalten eines sonst spröden Grundmaterials, zur Bestimmung der Effekte der Materialinhomogenität, untersucht. Um eine Eigenschaftsverbesserung festzustellen wurde das Verhalten der Rissausbreitung betrachtet und die resultierende Risszähigkeit des Verbundes bestimmt. Es wurden zwei verschiedene Konzepte der Bruchmechanik angewendet, beginnend mit der linear elastischen Bruchmechanik, mit der Voraussetzung eines spröden Materialverhaltens, wobei es aufgrund der Prüfanordnung und dem Bruchverhalten der Probekörper zu keinem aussagekräftigen Ergebnis einer Eigenschaftsverbesserung kam. Dabei konnte jedoch festgestellt werden, dass die Prüfrichtung in Bezug auf die Anordnung der Einzelschichten der 3D-gedruckten Probekörper einen großen Einfluss auf die Materialeigenschaften hatte, mit besseren mechanischen Eigenschaften der transversalen Anordnung der Schichten. Zusätzlich wurden Versuche nach elastisch plastischer Bruchmechanik durchgeführt und das J-Integral J untersucht. Bei der Kombination von Materialien mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften konnte kein Einfluss der Zwischenschicht festgestellt werden. Die Kombination einer weichen Zwischenschicht (thermoplastisches Copolmyer) und einem spröden Grundmaterial (glykolisiertes PET) resultierte in einer deutlichen Eigenschaftsverbesserung, mit einer ca. 3-fach höheren Zähigkeit des Verbundes im Vergleich zum reinen PET-G.

KW - Bruchmechanik

KW - Additive Fertigung

KW - 3D Druck

KW - Bruchzähigkeit

KW - Biomimetik

KW - J-Integral

KW - Materialinhomogenität

KW - fracture mechanics

KW - additive manufacturing

KW - 3D printing

KW - fracture thoughness

KW - J-Integral

KW - biomimic

KW - material inhomogenetiy

M3 - Masterarbeit

ER -