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Experimentelle Charakterisierung und mikrostrukturbasierte Modellierung der Schädigung in porösen Keramikschichten
(2023) Guski, Vinzenz; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
In der vorliegenden Ausarbeitung wurden sowohl thermo-physikalische als auch mechanische Eigenschaften einer plasma-gespritzten Mg-Spinell (MgAl2O4) Beschichtung experimentell sowie numerisch und analytisch mit verschiedenen Modellierungsansätzen untersucht. Der Hintergrund dieser Untersuchungen ist der Einsatz dieser Keramik-Schichten als Teil eines Dichtsystems in Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Hierbei ist insbesondere die Integrität der Beschichtung, ein hoher elektrischer Widerstand sowie Gasdichtheit im Betrieb von entscheidender Bedeutung. Dies kann erreicht werden durch eine hohe Schadenstoleranz der Beschichtung, weshalb der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der bruchmechanischen Charakterisierung dieser Beschichtung lag. Beim bruch-mechanischen Verhalten hat der Herstellungsprozess, das atmosphärische Plasmaspritzen, eine fundamentale Bedeutung für das effektive mechanische Verhalten. Beim atmosphärischen Plasmaspritzen wird ein Plasmastrahl in atmosphärischer Umgebung erzeugt, der auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet ist. Zur Beschichtung wird dann Keramik oder Metall-Pulver in den Plasmastrahl eingebracht. In diesem Strahl werden diese Pulver-Partikel aufgeschmolzen und in Richtung Oberfläche beschleunigt. Durch den großen Temperaturunterschied von Plasmastrahl zur Substrat-Oberfläche erstarren die aufgeschmolzenen Pulver-Partikel, die sogenannten Splats, schlagartig. Beim Erstarren ziehen sich die Splats zusammen. Jedoch werden sie durch das Substrat dabei mechanisch gehemmt. Dieser Mechanismus in Kombination mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Beschichtung verursacht Eigenspannungen im Materialsystem. Durch wiederholtes Überfahren der Plasma-Düse kann so eine vollständige Schicht hergestellt werden. Beim lagenweisen Auftragen wird beim Auftreffen der schmelzflüssigen Splats auf die darunterliegende Schicht die Oberfläche der bereits erstarrten Splats wieder aufgeschmolzen. Dadurch wird zum einen eine bessere Haftung der Splats erreicht und zum anderen eine Grenzflächen-Schicht erzeugt, die die erstarrten Splats umgibt. Durch die beschriebenen Mechanismen Aufschmelzen, Erstarren und Schrumpfen werden charakteristische Defekte, wie z.B. runde und längliche Poren oder Mikrorisse, in die Beschichtung eingebracht, die sowohl einen großen Einfluss auf die Richtungsabhängigkeit (Transversalisotropie) der effektiven mechanischen Kennwerte hat als auch Orte in der Beschichtung für Rissinitiierungen sind. Zusätzlich können auch noch die Eigenspannungen in der Beschichtung einen Einfluss auf das effektive mechanische Verhalten haben. Messreihen am Fraunhofer IKTS in Dresden, am DLR Stuttgart, am IFKB, Universität Stuttgart sowie an der MPA, Universität Stuttgart zum thermomechanischen und thermophysikalischen Verhalten sowie bildgebende Untersuchungen lieferten die Basis für die in dieser Arbeit vorgestellten analytischen und numerischen Modellierungen. Ein bedeutender Modellierungsansatz im Rahmen dieser Arbeit ist die mikrostrukturbasierte Simulation der Rissinitiierung und des Risswachstums. Dazu wurden sowohl zweidimensionale als auch dreidimensionale Realstrukturmodelle auf Basis von REM-Aufnahmen sowie Nanotomographie-Daten (FIB/REM) aufgebaut. Die Rohdaten der Aufnahmen, die im Rückstreu-Modus aufgrund der höheren Kontraste aufgenommen wurden, mussten zunächst mit Hilfe von Bildanalyseverfahren und Filtern aufbereitet werden. Dabei wurde die Existenz einer Grenzflächenphase festgestellt, die im Folgenden der Arbeit eine entscheidende Rolle einnahm, um das effektive mechanische Verhalten dieser plasma-gespritzten Schichten zu erklären. Eine Herausforderung bei der Aufbereitung der Rohdaten war vor allem die Segmentierung der Aufnahmen in die einzelnen Phasen (Matrix, Poren und Grenzflächenphase). Dies konnte durch einen mehrstufigen Vorgang mit Setzen von Grenzwerten bei der Grauwert-Verteilung, mit Anwenden von Morphologie-Filtern sowie mit Anwenden eines zellularen Automaten erreicht werden. Die Bilddaten konnten dann in weiteren Schritten sowohl zur Erzeugung von FEM-Modellen, als auch von Modellen für die neuartige kontinuumsmechanische Simulationsmethode Peridynamics verwendet werden. Die Simulations-methode Peridynamics ist im Vergleich zur FEM dadurch gekennzeichnet, dass eine integrale Formulierung der kinematischen Gleichungen existiert. Dadurch können Diskontinuitäten, wie z.B. Risse, besser abgebildet werden. Die Diskretisierung bei Peridynamics erfolgt über Massepunkte mit einem definierten Volumen und Bindungen zwischen den Massepunkten, die eine kritische Dehnung besitzen. Dadurch kann ohne Anwendung eines zusätzlichen Schädigungsmodells Rissinitiierung und Risswachstum simuliert werden. Die analytischen Modelle dienten zur Untersuchung der Transversalisotropie der elastischen Konstanten, da für plasma-gespritzte Schichten eine sogenannte Cross-Property-Verknüpfung existiert, die den effektiven E-Modul mit der effektiven Wärmeleitfähigkeit in Verbindung bringt. Ebenso konnte der Einfluss der Eigenspannungen untersucht werden. Aufgrund der Neuartigkeit von Peridynamics (PD) wurden Validierungssimulationen anhand zweier mechanischer Problemfälle erfolgreich durchgeführt: Platte mit Loch unter einachsiger Zugbelastung und Platte mit einseitiger Kerbe unter einachsiger Zugbelastung. Nach der Validierung von PD fanden die numerischen Untersuchungen mit den mikrostrukturbasierten Modellen statt. Dabei wurden die Mikrostrukturen sowohl unter Zug- als auch unter Druckbelastung parallel und senkrecht zur Spritzrichtung bis zum Versagen der Mikrostrukturen untersucht. Zum Vergleich wurden die Simulationen sowohl mit FEM als auch mit PD durchgeführt. Ebenso wurde der Einfluss der Grenzflächenphase betrachtet. Als Ergebnisse dieser mikrostrukturbasierten Simulationen wurden sowohl die für Keramiken typische Anisotropie von Zug- und Druckbelastung als auch die Transversalisotropie beobachtet. Die Transversalisotropie wurde durch das Berücksichtigen der Grenzflächenphase verstärkt. Ebenso konnten die effektiven Steifigkeiten der plasma-gespritzten Mg-Spinell-Schicht durch die Grenzflächenphase in der Simulation im Bereich des in Experimenten beobachteten Verhältnisses von ein Drittel bzw. ein Viertel des E-Moduls des Vollmaterials bestimmt werden. Ohne die Grenzflächenphase waren die effektiven Steifigkeiten deutlich überschätzt. Dieses Ergebnis ist ein sehr starkes Indiz für die Notwendigkeit der Berücksichtigung der Grenzflächenphase bei der Mikrostrukturmodellierung von plasma-gespritzten Werkstoffen. Die in den Simulationen resultierenden Rissbilder mit den beobachteten multiplen Rissinitiierungen sowie den Rissverzweigungen zeigen qualitativ eine sehr hohe Übereinstimmung mit Rissbildern von REM-Aufnahmen der geschädigten Mg-Spinell-Schicht. Das statistisch-basierte Bruchverhalten (Versagenswahrscheinlichkeit) wurde schließlich durch eine Analyse der Simulationsergebnisse mit Hilfe der Weibull-Statistik berücksichtigt. Dabei wurden der Weibull-Modul und die mittlere Festigkeit aus sechs Proben numerisch ermittelt. Insbesondere für den Weibull-Modul konnten Werte bestimmt werden, die im Bereich von experimentellen Werten für Keramiken aus der Literatur liegen. Ebenso wurde eine Transversalisotropie beim Weibull-Modul und der mittleren Festigkeit beobachtet. Insgesamt lässt sich festhalten, dass im Rahmen dieser Ausarbeitung das effektive mechanische Verhalten der plasma-gespritzten Oxidkeramik Mg-Spinell durch eine Kombination von experimentellen, analytischen und numerischen Methoden im Detail untersucht wurde. Insbesondere wurde bei diesen Untersuchungen der sehr starke Einfluss der Grenzflächenphase auf das beobachtete effektive mechanische Verhalten als ein dominanter Faktor identifiziert. Durch den Vergleich mit dem Zustand ohne Grenzflächenphase hat sich gezeigt, dass mechanischen Eigenschaften verbessert werden können, wenn der Anteil der Grenzflächenphase reduziert wird, wie z.B. durch nachgelagerte Wärmebehandlungen. Im Bereich der Methodik konnte gezeigt werden, dass sowohl die FEM als auch die PD-Methode geeignet sind, das Materialverhalten von plasma-gespritzten Mg-Spinell-Schichten im Hinblick auf das bruchmechanische Verhalten abzubilden. Die PD-Methode bedarf jedoch noch weitere Untersuchungen insbesondere im Bereich des Materialmodells, des Einflusses von Oberflächen sowie der Stabilität der Simulationen. Der sehr große Vorteil der PD-Methode hat sich gezeigt durch die Möglichkeit des Multirisswachstums im gesamten Modell ohne Definition eines zusätzlichen Schädigungsmodells mit der Notwendigkeit der Kalibrierung von Modellparametern wodurch insbesondere Rissverhalten in spröden Materialien realistisch abgebildet werden kann.
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Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Kontaktmechanik und Tribologie der konischen Schnittstelle zwischen Prothesenkopf und Prothesenschaft modularer Hüftgelenksendoprothesen
(2023) Häußler, Kim Lars; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
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Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen von Kupferwerkstoffen : experimentelle und numerische Untersuchungen zu dauerhaften elektrischen Kontakten
(2018) Skoda, Philipp; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
Im Zeitalter der Elektrifizierung und E-Mobilität muss ein besonderes Augenmerk auf die dauerhaften elektrischen Kontakte gelegt werden. Durch unzureichend alterungsbeständige Fügeverbindungen sind elektrische Kontakte die Schwachstelle im Gesamtsystem. Deshalb liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Verbesserung des Kontaktes durch die Entwicklung eines alterungsbeständigen, unlöslichen, elektrischen Kontakts. Gute elektrische Leiter sind auch gute Wärmeleiter. Die gute Wärmeleitfähigkeit lässt Schmelzschweißverfahren an ihre Grenzen stoßen und alternativ gebräuchliche Verfahren sind nicht ausreichend alterungsbeständig. Fügen durch plastische Deformation stellt einen innovativen Ansatz für alterungsbeständige Fügeverbindungen dar, deren Qualität nicht durch die gute Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigt wird. Ein zukunftsweisendes Fügeverfahren für plastische Deformation ist das Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen, was auch als ImpAcT oder Rivtac ® bekannt ist. Dieses Verfahren hat kurze Prozesszeiten und ist einfach in der Durchführung und daher wirtschaftlich. Das Verfahren wird allerdings aktuell nicht für elektrische Kontakte eingesetzt und ist bis jetzt nicht auf andere Fügegeometrien und Bauteile übertragbar. Um dieses vielversprechende Verfahren auch für den elektrischen Kontakt in die Anwendbarkeit zu bringen, wurde in dieser Arbeit zunächst experimentell eine alterungsbeständige Fügeverbindung entwickelt. Die anschließend durchgeführten Finite-Elemente-Rechnungen beschreiben den Fügevorgang qualitativ und ermöglichen es das Verfahren auf anderen Fügegeometrien und Bauteile zu übertragen. In der aktuellen Anwendung des Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzens werden die Einstellungen der Fügeparameter (Fügedruck und Tiefeneinstellung) anhand einer Vielzahl von Versuchen bestimmt. Dies macht das Verfahren schlecht berechenbar und benötigt viele Versuche bis zur idealen endgültigen Einstellung, die von Bauteil zu Bauteil variiert. In dieser Arbeit gelang es die Fügeparameter auf eine analytische Beschreibung zurück zu führen. Hierdurch ist es nun möglich eine gewünschte Fügeposition zu wählen und die notwendigen Fügeparameter zu berechnen. Die Bestimmung der Qualität der Fügeverbindung erfolgt bislang durch zerstörende Prüfung der Festigkeit. Eine zerstörende Prüfung hat den Nachteil, dass das Bauteil danach nicht mehr verwendet werden kann. Die Festigkeit der Fügeverbindung ist darüber hinaus für den elektrischen Kontakt von untergeordneter Bedeutung. Durch die Entwicklung einer zerstörungsfreien Kontaktwiderstandsmessung in dieser Arbeit, ist nun nicht nur die Überprüfung jeder Fügeverbindung möglich, sondern sie bildet auch die Qualität des elektrischen Kontaktes besser ab. Das Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen in der Automobilindustrie dient nicht zur elektrischen Kontaktierung. Es ist daher schwierig, optimale Einflussgrößen für eine erfolgreiche elektrische Kontaktierung auszuwählen, insbesondere für die artgleichen Kupferfügeverbindungen oder Mischverbindungen aus Aluminium und Kupfer. Die Innovation dieser Arbeit stellt nun die erfolgreiche Kombination aus experimenteller Variation und Finite-Elemente-Rechnung zur Entwicklung der alterungsbeständigen elektrischen Kontaktierung dar. Dadurch konnte ein besseres Verständnis von Zusammenhängen und sich daraus ergebenden Optimierungsmöglichkeiten gewonnen werden. Bei den artgleichen Kupferfügeverbindungen konnten so Kaltpressschweißungen nachgewiesen werden. Experimentell konnte ebenso nachgewiesen werden, dass die artgleichen Kupferfügeverbindungen alterungsbeständig sind. Auch für die Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen konnte die Alterungsbeständigkeit nachgewiesen werden. Die zum Erzeugen von Kaltpressschweißungen relevanten Grenzwerte Flächenpressung und plastische Deformation sind aus der Literatur bekannt. Diese Grenzwerte können im Fügebereich nicht experimentell ermittelt werden. Sie sind jedoch wichtig, um eine Übertragbarkeit auf andere Fügegeometrien und Bauteile zu gewährleisten. Um diese Lücke zu schließen, wurde in dieser Arbeit mittels Finite-Elemente-Rechnungen unter Anwendung der bekannten Literaturwerte für Flächenpressung und plastische Deformation von Kaltpressschweißungen ein Simulationsmodell zur Berechnung des Fügeniveaus von elektrischen Kontakten entwickelt und experimentell bestätigt. Das so ermittelte Fügeniveau gibt Aufschluss über die elektrisch kontaktierte und alterungsbeständige Fläche. Das Fügen durch plastische Deformation ist ein vielversprechender Ansatz für alterungsbeständige elektrische Kontakte im Zeitalter der Elektrifizierung und E-Mobilität. Ein rein experimenteller oder rein simulativer Zugang lässt Fragen in beiden Bereichen offen. Durch die in dieser Arbeit geschaffene Verbindung von experimenteller Grundlage und simulativer Ergänzung ist es gelungen ein tieferes Verständnis für den Prozess zu erlangen. Darüber hinaus wurden ein zerstörungsfreies Prüfverfahren sowie eine analytische Beschreibung des Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzens (Rivtac, ImpAcT) entwickelt, welche die Weiterentwicklung nachhaltig erleichtern werden.
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Molekulardynamische Untersuchungen der Festigkeitserhöhung gealterter Aluminium-Legierungen
(2022) Hummel, Martin; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
Ziel der Arbeit ist die numerische Untersuchung von Aluminiumlegierungen, insbesondere des Einflusses von Ausscheidungen in gealterten Materialsystemen. Zum tiefen Verständnis der physikalischen Vorgänge auf atomarer Ebene wird hierzu die Methode der Molekulardynamik angewandt. Neben der Beeinflussung des Materialverhaltens durch die verschieden gearteten Ausscheidungsformen entlang des Alterungsprozesses von Aluminiumlegierungen sind kristallographische Störungen wie Versetzungen und Korngrenzen im Fokus der Simulationen. Die makroskopisch beobachtbaren Effekte, wie die Verfestigung durch die nanoskaligen, plättchenförmigen Guinier-Preston-Zonen oder des Hall-Petch-Effekts, werden detailliert untersucht.
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Multiscale modelling and simulation of metal fatigue and its applications
(2019) Mlikota, Marijo; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
Multiscale materials modelling (MMM) has been recently growing and simultaneously becoming a significant tool for understanding complexities of contemporary materials as well as a valuable driver for their development. In view of that, this work presents a MMM approach based on the application of different numerical techniques for predicting the fatigue life of metallic materials. The work contains several fatigue problems of metals where the modelling approach has been successfully applied, including its highlight, which is the virtual determination of the fatigue life (S-N or Wöhler) curve. The approach is realized by coupling the analysis of microscopic (crack initiation on the basis of the physically-based Tanaka-Mura model) and macroscopic (crack growth on the basis of classical Fracture Mechanics) fatigue behaviour, together with the molecular dynamics (MD) and experimentally-based input determination. Particular emphasis has been placed on the application of the modelling approach to demonstrate the importance of the parameter critical resolved shear stress (CRSS) for the fatigue performance of several metals. The discovered relation between endurance limit and the CRSS provides a facet of fatigue theory that is numerically predictive and which allows the selection of those types of materials, which are more fatigue resistant. In addition to the CRSS, factors such as grain size, mean stress, plasticity, residual stresses and others have been also investigated with the aim to identify their influence on the S-N curves as well as endurance limits of various metallic materials. Aside of that, it is now possible to estimate the length of the short crack at the initiation end by application of the physically-based micromechanical simulations what opens new doors to an easier detection of the critical crack lengths in practical applications, e.g. for component and plant inspection. The experimental determination of the Paris law constants is typically tedious and time-consuming. The successful determination of these constants by using the present physically-based multiscale materials simulation approach provides, on the contrary, an efficient method to equip engineers with these highly relevant fatigue data. As the results of this work demonstrate, the introduced MMM procedure for metal fatigue characterization plays an important role in the understanding of present days’ complex and advanced materials. Apart from that, this physically-based MMM approach represents a breakthrough in the field of fatigue research and opens the door for fast and cost-effective development of virtual metallic materials for present and future fatigue applications, such as, e.g., for additive manufactured materials.
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Multiscale modelling of nano-clay filled shape memory polymer foams
(2020) Salman, Marwan A.; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
Shape memory materials (SMMs) are defined as materials that can recover their undeformed configuration after applying an external stimulus like light, temperature, magnetic field, etc. These materials are involved in many applications i.e. aerospace, biomedical and automotive. Among all SMMs, shape memory polymers (SMPs) emerged as the most promising materials. SMPs have received the attention of scientists because of many interesting properties, namely, lightweight structure, biodegradable, and cheap to manufacture. Furthermore, they can be deformed up to 200% of their original configuration keeping the ability to restore their original shape. Recently, material scientists developed SMP nanocomposites by reinforcing them with nanoinclusions (nano-clays, carbon nanotubes, etc.). This step increased the degree of interest of SMPs and expanded the range of applications in industry and medicine. Moreover, producing shape memory polymer foam nanocomposites led to a revolution in the shape memory materials field. The resulting extra lightweight materials can show the shape recovery phenomena under finite deformation with higher mechanical properties. Nano-clay filled shape memory polymer foams have heterogeneous structures at certain levels of observation. For instance, the structure of the material consists of a matrix material with randomly distributed voids of different sizes at the macroscale level. At a lower level of observation, nano-clay layers are randomly distributed through the polymer matrix. Modelling of such multifunctional materials is a big challenge according to the fact that the mechanics of the underlying atomistic nano- and continuum mechanical microstructures have considerable impacts on the material behavior at the macroscale level. Additionally, many thermomechanical phenomena arise from the lower scale levels. Within this work, a full multiscale modelling approach able to simulate the thermomechanical behaviour of the nano-clay filled epoxy shape memory polymer foam under finite strain and at atomistic, micro-, meso- and macro-scale levels is presented. In addition, the nonlinear hyperelastic and viscoelastic behaviour of the material is investigated as well as the shape recovery behaviour. Such an approach is applied by dividing the length scale of the problem into four different levels. The first, and smallest one is the atomistic scale level, in which a set of molecular dynamics models are proposed to determine the thermomechanical properties of the nanocomposite materials. Furthermore, the interfacial strength between the epoxy polymer matrix and the layers is estimated in all possible layer orientations. Moreover, the effects of nano-reinforcements on the thermal expansion coefficient as well as the transition temperature of the epoxy shape memory polymer are estimated using the MD method. The second level is the mesoscale I. A combination of the Finite Element method in conjunction with a Representative Volume Element (RVE) concept and a multiscale numerical homogenization scheme are employed to investigate nano-scale strengthening effects on the thermomechanical properties of the shape memory polymer. Moreover, analytical models are presented and used to compute the overall effective elastic constants of the RVE. On the other hand, the cellular structure of the SMPF is studied at the mesoscale II level. Real and artificial 3D geometries are generated and used in the FE method. In addition, a computational homogenization scheme is used to include the 3D RVE that is generated at the lower scale level in the analysis. Moreover, a numerical finite strain compressive test is applied to both phases (rubbery and glassy) of the SMPFs. In the next steps, all the estimated parameters of the mesoscale II level are accumulated and applied directly into the macroscopic constitutive models of both the rubbery and glassy phases. The thermomechanical performance of the nano-clay filled shape memory polymer foam is examined at temperatures lower and higher than Tg. Furthermore, two different thermomechanical loading cycles are employed to investigate the shape recovery response of the SMPF nano-composites. Last but not least, it is shown that multiscale modeling of SMPF provides a deep understanding of the material behaviours especially those which are originating from micro- and nano-scale material heterogeneous structures. Moreover, the herein applied Multiscale Materials Modelling (MMM) is considered as one of the most accurate simulation methods which is able to model available as well as future complex structures of heterogeneous nanocomposite materials.
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Multiskalige Simulation der mechanischen Eigenschaften nanopartikelgefüllter Polyamid 6-Verbundwerkstoffe
(2017) Wiedmaier, Jing; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
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Numerische Simulation des Materialzustandes einer Epoxidformmasse im Spritzgießprozess
(2022) Yan, Shuang; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
Ziel dieser Arbeit ist es, ein vertieftes Verständnis bzw. die quantitative Beschreibung der interagierenden Materialzustandsgrößen, beschrieben durch die Temperaturverteilung und den Vernetzungsgrad einer duroplastischen Formmasse, unter Berücksichtigung der thermochemischen Mechanismen bei der Spritzgießverarbeitung zu ermöglichen. Die Arbeit konzentriert sich einerseits auf die numerische Simulation von Materialzustandsgrößen wie Temperatur und Vernetzungsgrad, andererseits wird die Online-Überwachung des Vernetzungsgrads mittels dielektrischer Analyse und IR-Spektroskopie im Spritzgießprozess untersucht. Die in dieser Arbeit durchgeführten Simulationen und Experimente werden auf einer realen Spritzgießmaschine mit einem Plattenspritzgießwerkzeug für einen duroplastischen Werkstoff durchgeführt. Als Beispielmaterial wird eine Epoxidformmasse, die üblicherweise in der Industrie angewendet wird, ausgewählt und untersucht.
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Numerische Simulationen von bioinspirierten und natürlichen Materialien
(2021) Schäfer, Immanuel; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
Die Arbeit befasst sich mit Finite-Elemente-Simulationen und Modellierungen von natürlichen und bioinspirierten Materialien. Die bioinspirierten Materialien sind künstliche Materialien, die ein oder mehrere Prinzipien der biologischen Vorbilder erfolgreich umgesetzt haben. Die natürlichen Materialien sind biologischen Ursprungs. Zu Beginn benötigt man immer eine funktionelle Analyse des Systems, um dann die notwendigen Reduzierungen für die Modellierungen herstellen zu können. Wenn das Modell steht, werden Eigenschaften wie zum Beispiel die Dämpfung oder der Widerstand gegen eine lineare Krafteinwirkung in Finite-Elemente-Simulationen analysiert. Die daraus gewonnenen Ergebnisse werden zur Beurteilung des Versagenverhaltens (z. B. des natürlichen Materials) oder zur Erklärung der Eigenschaften des bioinspirierten Materials genutzt. Die vorliegende Arbeit ist in die Analyse und die Diskussion der Ergebnisse verschiedener Materialien in neun Veröffentlichungen unterteilt. Zu Beginn werden die Ergebnisse des ersten bionischen Projektes präsentiert sowie die Lichtaufnahme, Lichtleitung- und Lichtverarbeitungsmöglichkeiten einer sukkulenten Art, der Fensterpflanze diskutiert. Die Perlmuttschale einer Schnecke bzw. ihr bioinspiriertes Produkt ist das Thema der anschließend vorgestellten Arbeiten. Daraus hervor ging auch die Veröffentlichung zu Enzymen und deren Bindungsaffinitäten zu Zinkoxid. Die Schale der Pomelo, die die kiloschwere Frucht beim Herunterfallen von den ca. 15 m hohen Bäumen vor Beschädigungen schützt, ist das Vorbild für einen Metallschaum im nächsten Beispiel. Als letztes werden die Vorbilder Kokosnuss und Seeigelstachel präsentiert, die im Rahmen eines Transregios (einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich, TRR 141) betrachtet wurden. Für den TRR 141 wurde auch eine Ausstellung im Naturkundemuseum Stuttgart organisiert. Im Kapitel 12 wird eine Präsentationsstation beschrieben, die mit NFC(Near-Field-Communication)-Chips gesteuert werden kann. Die Präsentationsstation wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und mit dem Museum zusammen gebaut. Mit ihr werden Filme und Präsentationen zu dem Thema des TRR mit Ausstellungsgegenständen (z. B. eine 3D gedruckte Struktur des Seeigelstachels in Vergrößerung) kombiniert. Auf diese Weise zeigt die vorliegende kumulative Dissertation einen Überblick über die gesamten bionischen Arbeiten, die am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre bei Herrn Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Siegfried Schmauder mit meiner Beteiligung entstanden sind.
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Optimierte Auslegung von Flanschverbindungen mit GFK-Flanschen unterschiedlicher konstruktiver Gestaltung unter Berücksichtigung des spezifischen Werkstoffverhaltens
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2018) Moritz, Stephanie; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
Gestiegene Anforderungen (höhere Temperaturen, aggressive Medien) an Flanschverbindungen aus glasfaserverstärken Kunststoffen (GFK) haben dazu geführt, die Materialeigenschaften dieser Verbindungen näher zu untersuchen um das mechanische Verhalten im Betrieb besser beschreiben zu können. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Erarbeitung einer verbesserten Auslegung, die an den Werkstoff GFK angepasst ist. Mithilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen an Flanschverbindungselementen aus GFK konnte ein optimierter Festigkeits- und Dichtheitsnachweis erbracht werden. Die vorgeschlagenen Ansätze lassen sich einfach in bestehende Normen integrieren und können dazu beitragen diese Verbindungen für den Betrieb sicher auszulegen.
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Physics-driven machine learning : from biomolecules to crystals
(2024) Díaz Carral, Ángel; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
Physical systems and their interactions exhibit inherent equivariance. In machine learning (ML), predicting quantities derived from these interactions follows two main approaches: constructing invariant scalar features as inputs to invariant models or employing equivariant models directly. This thesis focuses on the former, investigating feature extraction and data representation in the context of physics-driven machine learning (PDML). PDML leverages prior physical knowledge to construct descriptors that encode symmetries inherent in the data, thereby reducing dimensionality, enhancing interpretability, and improving generalization performance. The research addresses critical questions such as the limitations of physics-informed descriptors, the feasibility of dimensionality reduction without compromising prediction accuracy, the comparative performance of PDML against traditional ML methods, and the scalability of PDML in atomistic systems. Key investigations include: 1. Copper-based alloys: Combining molecular simulations and active learning (AL) to discover stable precipitate phases and assess mechanical properties. This involves density functional theory (DFT) simulations and the development of machine learning interatomic potentials (MLIPs) using moment tensor potentials (MTPs), leveraging invariant polynomials to model multi-component alloys. 2. Nanopore translocations: Improving DNA sequencing accuracy by training ML models on experimental ionic blockade data from DNA translocation through nanopores. The approach employs dimensionality reduction through a set of physical descriptors to efficiently classify nucleotide identities, with an emphasis on increasing readout accuracy and reducing model complexity. 3. High-Tc superconductivity: Proposing an effective PDML model to predict critical temperatures of superconductors by extracting key electronic and atomic features. Despite the reduced feature space, the model achieves high accuracy, offering a streamlined approach to predicting superconductor properties with minimal computational overhead. This work bridges the gap between machine learning and physics by embedding physical principles into ML feature representations, enhancing the ability to model, predict, and control complex physical systems with greater precision and efficiency. These advancements aim to unlock transformative applications and discoveries across a range of scientific and technological domains.
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Simulationsmethodiken zur Beschreibung des Rissverhaltens an Abgasbauteilen unter thermomechanischer Ermüdungsbeanspruchung
(2018) Schlegel, Jan; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
In der Verbrennungsmotorentwicklung macht das sogenannte Downsizing eine betriebsfeste Auslegung von Abgaskomponenten zunehmend schwieriger. Hier machen steigende thermomechanische Belastungen die Entstehung von Rissen an bestimmten, kritischen Stellen unvermeidbar. In der Regel beeinträchtigen jedoch nur Durchrisse die Funktion von Abgasbauteilen. Zu einer zuverlässigen Bauteilbewertung gehört daher die Beurteilung von Anrissen bezüglich des Ausbreitungspfads und der Wachstumsgeschwindigkeit. Da experimentelle Untersuchungen - gerade im Falle verschiedener Werkstoffund Geometriekandidaten - sehr kostspielig sind, sollen in dieser Arbeit Methoden zur rechnerischen Beschreibung von Rissen mittels FEM entwickelt werden. Im Rahmen der schriftlichen Ausarbeitung wird dies anhand des Werkstoffs D-5S und zweier Methoden von verschiedenartigem Ansatz dargestellt. Zunächst finden Versuche an einem Prüfstand für Prinzipproben, den sogenannten Zungenproben, statt. Dies umfasst auch metallographische Untersuchungen der Prozesszone und des Risspfads, um Aufschluss über die Eignung potentieller Berechnungsmethoden zu geben. Im Anschluss erfolgt auf dieser Basis die Entwicklung der verschiedenen Methoden. Das beinhaltet beispielsweise geeignete Rissfortschrittskriterien, die Einführung einer Zustandsgrößengewichtung oder die Rissrichtungsbestimmung. Die Parameterermittlung für die Rissfortschrittsmodelle, welche eine geraffte zeitliche Beschreibung ermöglichen sollen, findet über Rissfortschrittskurven der Prinzipproben statt. Da die Geometrie dieser Proben bewusst einfach gehalten ist, an komplexen Geometrien jedoch eine Vielzahl an Lastfällen auftreten können, muss eine Validierung der Modelle stattfinden. Dafür wird ein Turbinengehäuse ausgewählt, welches auf einem Heißgasprüfstand getestet und auf Risse untersucht wird. Durch die große Anzahl an Rissen kann anschließend eine Bewertung der vorgestellten Methoden stattfinden. Diese schließt neben der Prognosequalität auch deren Anwendbarkeit und Stabilität ein.