Experimental and Numerical Investigation of Mechanical Metamaterials Produced by Selective Laser Sintering

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Autoren

Abstract

Mechanische Metamaterialien besitzen Eigenschaften, welche in der Natur nicht üblich sind. Eine Gruppe der mechanischen Metamaterialien sind jene mit variabler Steifigkeit. Sie ermöglichen es Strukturen mit verschiedenen Steifigkeiten in alle drei Raumrichtungen zu erzeugen. Dies wird dadurch erzielt, dass die geometrischen Parameter der Einheitszellen individuell angepasst werden können. Diese Studie untersucht den Einfluss von unterschiedlichen Materialmodellierungsansät-zen auf die Qualität von Finite-Elemente-Simulationen von mechanischen Metamaterial-strukturen mit variabler Steifigkeit. Hierfür werden elastisch-plastische Materialmodelle auf Basis von Zug- und Drei-Punkt-Biege-Versuchen verwendet. Auf der Grundlage von Zug-Versuchen kommt ein Ansatz mittels Fließspannung ¿ plastische Dehnung zur Anwendung. Um auf Basis von Drei-Punkt-Biege-Versuchen elastisch-plastische Materialmodelle zu ge-nerieren, wurde ein ¿Reverse-Engineering¿ Ansatz unter Anwendung des Johnson-Cook Modell gewählt. Die untersuchten Prüfkörper wurden aus Polyamid 12, Polypropylen und TIGITAL® 3D-Set TPP mittels selektiven Lasersintern hergestellt. Mit diesen wurden dyna-mische mechanische Analysen, Charpy-Schlagversuche, Zug- und Dreipunkt-Biegeversuche durchgeführt. Um den Einfluss von unterschiedlichen Geometrieparametern auf die Druck-steifigkeit von mechanischen Metamaterialstrukturen zu untersuchen, wurden drei ver-schiedene Strukturen mit unterschiedlichen Dimensionen der Einheitszellen untersucht. Die Strukturen selbst wurden mittels Druckversuche geprüft. Zusätzlich wurden die Standardversuche an horizontal und vertikal gedruckten Prüfkörpern durchgeführt. Die Temperaturabhängigkeit wurde durch Prüfung der Materialien und Strukturen bei -30 °C, 0 °C und 23 °C ermittelt. Die Untersuchung zeigte, dass die Drucksteifigkeit durch Änderung der geometrischen Parameter der Metamaterialstrukturen variiert werden kann. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Simulationsqualität durch die Verwendung elastisch-plastischer Modelle im Vergleich zu rein linear-elastischen Materialmodellen deutlich verbessert wurde. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass durch auf vertikal gedruckten, Dreipunkt-Biegung basierenden Materialmodellen, die größte Übereinstimmung zwischen realen Druckversuchen und Simulation erreicht werden könnte.

Details

Titel in ÜbersetzungExperimentelle und Numerische Untersuchung von Mechanischen Metamaterialien, hergestellt durch Selektives Lasersintern
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung20 Okt. 2023
DOIs
StatusVeröffentlicht - 2023