Modellierung der mechanischen Eigenschaften verstärkter Metallschäume auf unterschiedlichen Skalen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Diebels; Professor Dr.-Ing. Alexander Düster; Professor Dr. Rolf Hempelmann
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245744473

Offenporige Metallschäume sind ein bereits seit mehreren Jahrzehnten bekanntes bionisches Material, welches dem Aufbau von Röhrenknochen nachempfunden wurde. Es kann für lasttragende Leichtbaukonstruktionen und zur Absorption kinetischer Energie, z.B. beim Autocrash, eingesetzt werden. Der Grund, warum sich Metallschäume trotz dieser positiven Eigenschaften bisher nicht etabliert haben, liegt in der geringen Festigkeit und dem relativ niedrigen Energieabsorptionsvermögen der üblicherweise verwendeten Aluminiumschäume sowie deren meist schlecht reproduzierbaren mechanischen Eigenschaften. Durch eine neuartige Beschichtung von Aluminiumschäumen mit nanokristallinem Nickel mittels Elektrodeposition konnten die Reproduzierbarkeit, das mechanische Verhalten, z.B. die Plateauspannung (Festigkeit), und das Energieabsorptionsvermögen deutlich verbessert werden. Damit es zu einer tatsächlichen Anwendung dieses innovativen Hybridschaums (Aluminiumschaum + Nickelbeschichtung) kommen kann, ist eine umfassende Kenntnis des Materialverhaltens erforderlich. Ein Ansatz für die numerische Beschreibung und die Simulation des Deformationsverhaltens solcher Hybridschäume fehlt bisher.Die elektrochemische Beschichtung offenporiger Aluminiumschäume mit nanokristallinem Ni in unterschiedlicher Schichtdicke und mit unterschiedlichem Gefüge, aber auch mit anderen Metallen und mit Metalllegierungen liefert eine umfangreiche Probenbasis für die mechanischen Experimente. Diese große Variation von Proben ist essentiell für die zuverlässige Validierung der zu erarbeitenden mechanischen Modelle.Das Ziel des vorliegenden Projekts ist es, das Zug-, Druck-, Schub- und Torsionsverhalten der Hybridschäume experimentell zu untersuchen und auf der Basis dieser Versuche das Materialverhalten der Hybridschäume auf der Mikro- und der Makroskala zu simulieren. Durch die entsprechenden Simulationen erwarten die Antragsteller ein besseres Verständnis der komplexen mikromechanischen Vorgänge bei der Deformation von Hybridschaummaterialien. Desweiteren sollen sie Aufschluss über die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen des Schaums geben und eine gezielte Untersuchung des Beschichtungseinflusses gestatten. Auf Basis der erhaltenen Ergebnisse soll eine Optimierung des Schaumaufbaus, z.B. Steggeometrie und Beschichtungsdicke, erfolgen.Mikromechanische Versuche an einzelnen Stegen des Schaums sind erforderlich, um einen Zusammenhang zwischen den lokalen Prozessen, wie Knicken, Brechen und Kontakt der Stege bei Kompaktierung, und dem globalen in makromechanischen Versuchen bestimmten Deformationsverhalten der makroskopischen Schaumproben herzustellen. Der Übergang von der Mikro- zur Makrostruktur wird durch eine Homogenisierung auf der Mikroebene erfolgen, mit der es möglich ist, Materialparameter des makroskopischen Modells durch eine Berechnung der Mikrostruktur zu bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen