Mikrostrukturbasierte Modellierung und Simulation von Werkstoffen
Zahlreiche Werkstoffe, darunter Beton, Holz und Asphalt, aber auch die Metalle, weisen ein heterogenes Gefüge auf, welches sich auf verschiedenen Beobachtungsskalen auflösen lässt. Die makroskopischen Eigenschaften der Materialien werden dabei durch die jeweilige spezifische Mikrostruktur bestimmt. Dies motiviert die Anwendung mikrostrukturbasierter Vorhersagemodelle, die das makroskopische Materialverhalten ausgehend von mikrostrukturellen Charakteristika abschätzen. Für die Kalibrierung und Validierung dieser Multiskalenmodelle ist es erforderlich, skalenübergreifende experimentelle Untersuchungen durchzuführen.
Forschung
- Numerische Simulation von additiv gefertigten Produkten
- Optimierung des Fertigungsprozesses auf Grundlage der experimentellen und Simulationsergebnisse
Abbildung: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme und Voronoi-Tesselation zur Analyse der Mikrostruktur von 3D-Druckstahl
Abbildung: Numerische Simulation des zyklischen Belastungstests von 3D-Druckstahl
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Entwicklung von semi-analytischen Multiskalenmodellen im Rahmen der Kontinuumsmikromechanik für die Abschätzung zentraler mechanischer Eigenschaften von neue Generationen von Baustoffen
Abbildung: Morphologische Darstellung von polymermodifizierten zementgebundenen Materialien, wobei sich das zweidimensionale Schema auf dreidimensionale Strukturen bezieht
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Skalenübergreifende Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen, probabilistische Modellvorhersagen
- J. Lizarazu, L. Göbel, S. Linne, S. Kleemann, T. Lahmer, Ch. Rößler, J. Hildebrand: Experimental characterization and numerical analysis of additively manufactured mild steel under monotonic loading conditions, Progress in Additive Manufacturing, 5, 295–304 (2020)
- L. Göbel, C. Bos, R. Schwaiger, A. Flohr, A. Osburg: Micromechanics-based investigation of the elastic properties of polymer-modified cementitious materials using naoindentation and semi-analytical modeling. In: Cement and Concrete Composites, 88:100-114 (2018)
- L. Göbel, A. Osburg, B. Pichler: The mechanical performance of polymer-modified cement pastes at early ages: ultra-short non-aging compression tests and multiscale homogenization. In: Construction and Building Materials, 173:495-507 (2018)
- L. Göbel, M. Königsberger, A. Osburg, B. Pichler: Viscoelastic behavior of polymer-modified cement pastes: Insight from downscaling short-term macroscopic creep tests by means of multiscale modeling. In: Applied Sciences, 8(4):487 (2018)
- L. Göbel, T. Lahmer, A. Osburg: Uncertainty analysis in multiscale modeling of concrete based on continuum micromechanics. In: European Journal of Mechanics – A/Solids, 65:14-29 (2017)
Projekte
Fördermittelgeber/in
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Projektträger/in
VDI Technologiezentrum GmbH
Projektleiter/in
Prof. Dr. rer. nat. Tom Lahmer
Partner/innen
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Informatik im Bauwesen
Fraunhofer IGCV, Abteilung Materialien und Prüftechnik, Augsburg
Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet Fertigungstechnik
Laufzeit
Apr 2021 - Mär 2024
Kurzfassung
Teilprojekt: Ontologien für die dezentrale Erfassung von mehrskaligen Kennwerten additiv gefertigter Stahlstrukturen
Additive Fertigungsverfahren halten zunehmend Einzug in die Generierung von technischen Systemen und Komponenten. Bezüglich der einsetzbaren Materialvielfalt und geometrischer Ansprüche ist bereits eine sehr hohe Quantität und Qualität erreicht. Dem stehen jedoch unzureichend verfügbare Materialkennwerte von additiv gefertigten Strukturen gegenüber, insbesondere erschwert durch die Tatsache, dass die entsprechenden Kennwerte stark prozessabhängig sind. Im Mittelpunkt des vorliegenden Forschungsvorhabens steht die mehrskalenorientierte Charakterisierung und Beschreibung von additiv gefertigten Metallstrukturen (AM) sowohl mittels experimenteller als auch numerischer Analyse sowie die Entwicklung entsprechender Ontologien, die Informationen über Skalengrenzen hinweg erfassen. Für ausgewählte Stahllegierungen soll die Herstellung von Probekörpern und die Charakterisierung der statischen und zyklischen Materialkennwerte vergleichend für drei verschiedene Technologien (ein pulverbettbasiertes, ein drahtbasiertes und ein extrusi-
onbasiertes Verfahren) erfolgen. Die dabei erhaltenen Kennwerte der AMS sind zu systematisieren, zu strukturieren, ontologisch zu beschreiben und letztlich semantisch zu modellieren, sodass die Kennwerte dezentral über Kooperationsplattformen (hier Plattform MaterialDigital) abrufbar sind.
Fördermittelgeber/in
Freistaat Thüringen aus Landesmitteln des Thüringer Ministeriums für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft
Projektträger/in
Thüringer Aufbaubank
Projektleiter/in
Dr.-Ing. Luise Göbel
Partner/innen
F.A. Finger – Institut für Baustoffkunde Bauhaus-Universität Weimar
Hochschule Nordhausen
Institut für Angewandte Bauforschung Weimar GmbH
Laufzeit
Mai 2020 - Sep 2023
Kurzfassung
Das Projektziel besteht in der Entwicklung von neuen Baustoffen und Bauteilen mit reduziertem Calciumsulfatbindemittelanteil auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen und mineralischen Sekundärrohstoffen. Diese Stoffe sollen den Ausgangspunkt für neue Kompositmaterialien, wie beispielsweise Wandelemente auf Basis von Gips-Holz-Gemischen, Gips-Hanfhäcksel-Gemischen oder Gips-Papier-Gemischen, darstellen. Zusätzlich kann der Einsatz von mineralischen Sekundärrohstoffen zur Substitution von Gips bei gleichzeitiger Einsparung von Deponieraum beitragen. Die Entwicklung der neuen Materialsysteme erfolgt sowohl unter der Durchführung einer umfassenden experimentellen Charakterisierung als auch auf Basis von semi-analytischen Prognosemodellen, die das Materialverhalten computergestützt abschätzen können.
Wir forschen in den Anwendungsfeldern
Unser Dienstleistungsworkflow
Wir sehen uns als Enabler zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung mit anwendungsorientierten Forschungsschwerpunkten.
