Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

Überprüfung von Funktion und Lebensdauer

Charakterisierung, Simulation und Prüfung von Werkstoffen und Strukturen

Ein zentraler Bestandteil ist die Werkstoffcharakterisierung zur Ermittlung von Materialkennwerten, die in Kombination mit numerischen Simulationsmethoden zur Vorhersage der Funktions- und Lebensdauer herangezogen werden. Für die rechnerische Nachweisführung von Faserverbundwerkstoffen und geklebten Strukturen werden vereinfachte mathematische Modelle und die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt, aus denen sich polymerspezifische Werkstoffmodelle und Modellierungstechniken ableiten lassen. Mit Unterstützung des angegliederten Werkstoffprüflabors können Materialkarten für FEM-Programme erstellt werden, die eine werkstoff- und anwendungsgerechte Bemessung von Klebverbindungen und Bauteilen ermöglichen.

Zahlreiche Methoden und Verfahren stehen am Fraunhofer IFAM zur Verfügung. Hier finden Sie einen ersten Einstieg:

Zielgerichtete Material- und Bauteilentwicklung durch rechnergestützte Materialsimulation

 

Die Verknüpfung von Erkenntnissen aus Simulationen und analytischen Untersuchungen liefert wertvolle Hinweise zu alternativen Strategien und Optimierungspotenzialen in der Materialentwicklung. Per Computer lassen sich zu erwartende Materialeigenschaften viel effizienter im Vorfeld neuer Entwicklungen für die Klebstoff- und Lackformulierung, für Faserverbundwerkstoffe, für die Oberflächentechnik und für die Nanotechnologie vorhersagen.

Die Simulation physikalischer und chemischer Wechselwirkungen an Oberflächen und Grenzflächen sowie des mechanischen Verhaltens von Materialien und Bauteilen gewinnt als wichtiges Hilfsmittel zunehmend an Bedeutung.

Die rechnergestützten Simulationen mit den Methoden der »Computational Chemistry«, liefern einen wertvollen Beitrag zu einer zielgerichteteren Materialentwicklung. Der Einsatz von quantenchemischen-, molekulardynamischen-, Monte-Carlo- bis hin zu mesoskopischen Simulationsverfahren bildet dabei die Grundlage zum Verständnis des molekularen Aufbaus von Materialien und damit das Rückgrat/die Basis einer rechnergestützten Materialentwicklung.

Für die Bemessung polymerer Werkstoffe werden Methoden verwendet, welche die speziellen, zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaften beschreiben. Mit Unterstützung des akkreditierten Werkstoffprüflabors können am Fraunhofer IFAM Materialkarten für FE-Programme erstellt und Lebensdauerberechnungen durchgeführt werden.

Die rechnergestützte Materialsimulation ermöglicht so eine Vorhersage der Eigenschaften funktionalisierter Oberflächen, polymerer Werkstoffe und ihrer Wechselwirkungen und liefert somit einen wertvollen Beitrag zu Materialinnovationen.

Dauergebrauchseigenschaften und Alterungsbeständigkeit

 

Die Alterung von polymeren Werkstoffen in Beschichtungen, Klebverbindungen oder Verbundwerkstoffen ist ein bekanntes Phänomen und bestimmt neben Fertigungsfehlern die Lebensdauer eines Bauteils. Daher ist das Verständnis von Alterungsvorgänge in Klebverbindungen von wirtschaftlichem Interesse. Trotz langjähriger Forschung ist nur ein Teil der Alterungsmechanismen bekannt. Die Kenntnis dieser Alterungsmechanismen kann helfen, die Alterung der Werkstoffe vorherzusagen oder Strategien zur Verzögerung der Alterung zu finden und damit die Sicherheit und Lebensdauer der Produkte zu erhöhen. Zur Aufklärung von Schadensfällen und zum besseren Verstehen der Alterungsmechanismen stehen Prüfgeräte für alle gängigen Methoden der beschleunigten Alterung zur Verfügung, um Informationen zu der Beständigkeit von Materialien und Bauteilen zu gewinnen. Dies beinhaltet Lagerungen bei erhöhter Feuchtigkeit, Temperatur und Temperaturwechseln ebenso wie zur UV-Beständigkeit und die Beständigkeit gegen die verschiedensten Medien. Neben dieser phänomenologischen Prüfung werden die beim Abbau auftretenden chemischen und physikalischen Reaktionen untersucht. Hierzu werden unterschiedliche spektroskopische und chemische Methoden eingesetzt, um z. B. die Bildung von Radikalen oder Hydrolyseprodukten und deren weitere Reaktionen bei der Polymerdegradation nachzuweisen. 

Akkreditiertes Werkstoffprüflabor

 

Das Fraunhofer IFAM verfügt über ein nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005 akkreditiertes und nach DIN EN ISO 9001:2000-12 zertifiziertes Werkstoffprüflabor.

Verfügbar sind elektromechanische Prüfmaschinen bis 120 kN mit Einrichtungen zur Simulation von Klima- und Umwelteinflüssen zur Ermittlung von Werkstoff-, Klebstoff- und Verbindungskennwerten. Einachsige und mehrachsige servohydraulische Prüfmaschinen bis 400 kN ermöglichen die Messung der Schwing- und Betriebsfestigkeit von Komponenten sowie geklebten und hybridgefügten Verbindungen und Bauteilen.

Die gleichzeitige Beanspruchung durch Temperatur, Feuchte und korrosive Medien ist ebenfalls möglich. Zur Messung von Feindehnungen verfügt das Labor über inkrementelle Wegtaster, Ansetzdehnungsaufnehmer und Dehnungsmessstreifen sowie optische, berührungslose 1D - 3D Messsysteme, mit denen auch eine ortsaufgelöste Messung möglich ist.

Prüfeinrichtungen für Prüfgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s ermöglichen die Prüfung von Kleb- und Hybridverbindungen unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten (Crash) im Temperaturbereich von -60 °C bis 120 °C.

Die Einrichtungen werden zur experimentellen Simulation von Temperatur-Beanspruchungs-Zeitverläufen von Kleb- und kombinierten Verbindungen während der Fertigung verwendet.

»Non-Metallic Materials Testing« in der Luftfahrtindustrie nach Nadcap

 

Im Bereich der Luftfahrt bestehen zur Erfüllung der Sicherheitsanforderungen besondere Randbedingungen und Vorgaben hinsichtlich Verlässlichkeit, Reproduzierbarkeit und Nachvollziehbarkeit von Produktionsprozessen und Prüfverfahren. Um diesen Anforderungen vergleichbar gerecht zu werden, haben sich die zentralen Luftfahrtunternehmen, u. a. Airbus, Boeing, Bombardier, MTU und Rolls-Royce, seit 1990 im Rahmen des Nadcap-Programms (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program) organisiert und einheitliche Randbedingungen und Voraussetzungen definiert.

Für Teile der Labore am Standort Bremen bestehen Anerkennungen als unabhängiges Prüflabor nach dem von der Luftfahrtindustrie geforderten Nadcap-System. In unserem Prüfportfolio ist das G1C-Verfahren nach AITM 1-0053 nach der entsprechenden Nadcap-Akkreditierung »Non-Metallic Materials Testing« (NMMT) anerkannt. Damit ist das Fraunhofer IFAM als unabhängiges Labor dazu in der Lage, entsprechende Prüfungen im Bereich der Luftfahrt Nadcap-konform durchzuführen und dies zu bescheinigen. Dadurch können die Kunden des Fraunhofer IFAM die ermittelten Ergebnisse unmittelbar für die Entwicklung fliegender Materialien verwenden. 

Mehr über die NADCAP-Anerkennung am Fraunhofer IFAM