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© 2012 Applied Auxetics GmbH smartTex-Workshop 17.10.2012
f o r m . a n d .
f u n c t i o n .
b y . d e s i g n
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Geschäftsführung
Prof. Dr. Hans Obrecht
Dipl.-Ing. Ulf Reinicke
Dipl.-Ing. Marcel Walkowiak
Chronik
2000: Beginn der Zusammenarbeit und F&E am LS Mechanik Statik Dynamik (TU Dortmund)
2003: Erste Patentanmeldung „Auxetische Strukturen“
2009: Beginn der Gründungsvorbereitungen in Kooperation mit der TU Dortmund
2011: Patenterteilung und Gründung der Applied Auxetics GmbH mit Sitz im Technologiezentrum Dortmund
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Computer-aided engineering (CAE)
Weiterbildungen & Schulungen
Auxetische Konstruktionskonzepte
Kompetenzen
Applied Auxetics in der Übersicht
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Weiter- bildung
Mechanikkurse
Stereostatik / Elastostatik
Kinetik / Dynamik
Höhere Mechanik
Numerische Methoden
Zielgruppe
Studierende
Hochschulen
Unternehmen
FE-Software
Abaqus CAE
Abaqus Standard
Abaqus Explicit
Abaqus Postprocessing
FE-Inhalte
Lineare & Nichtlineare FEM
Bruch / Versagen / Crash
Metallinelastizität
Faserverbundstrukturen
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FE-Simulation und Berechnung / CAE
• Mechanische Modellbildung und Simulation
• Trag- und Versagenverhalten von Materialien und Strukturen
• Multiphysikalische Belastungen
Lineare und nichtlineare Berechnungen
Statische und dynamische Festigkeitsberechnungen
Stationäre und instationäre Temperaturfeldberechnungen
Crash- und Aufprallsimulation
Bruch- und Versagensmodellierung
Lebensdauerprognosen
Gekoppelte Probleme
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Auxetische Strukturierungskonzepte
Ziel • Leichte, effiziente und multifunktionale Konstruktionen
• Fertigung mit erprobten und etablierten Herstellungsverfahren
unabhängig von:
Bauteilform / -art
Größe / Abmessungen
Material / -kombinationen
Belastung
Einsatzbereich
Multifunktionalität:
Steifigkeit / Festigkeit / Nachgiebigkeit
Beulsicherheit
Energieabsorption
Schwingungs- / Dämpfungseigenschaften
Akustische Eigenschaften
Designflexibilität und -qualität
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21
EH
(1 2 ) xV
12
12
RR
21
21
RR
. 2
2
1f f
mon
f
E tD
3
.212 1
f fmon
f
E tB
2
33
2 22 6 12
1 1
cf f f ccf
SW
t h t t hE EB
111 1 2 1 2 1 2 1 2zx x y
E E T
111 1 2 1 2 1 2 1 2zy x y
E E T
111 1 2 1 2 1 2 1 2z zx y
E E T
2 1xy xy
E
2 1
EG
3 1 2
EK
2 1xz xz
E
2 1yz yz
E
Hookesches Gesetz
Materialkonstanten Membran- und Biegesteifigkeiten Krümmungen
Volumendehnung
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Poissonzahl
Poisson (1781-1840)
Die Poissonzahl ist definiert als das negative Verhältnis von relativer Dickenänderung zu relativer Längenänderung bei Einwirkung einer äußeren Kraft:
y zx x
z + εz
y + εy
x + εx
„Normalfall“
0.3
häufige Annahme
0 ≤ ≤ 0.5
tatsächlicher Definitionsbereich bei isotropem Materialverhalten
-1 ≤ ≤ 0.5
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Auxetik
z + εz
y + εy
x + εx
auxetisch – αὐξητικός (auxetikos) – vergrößernd, zunehmend
Auxetik – αὔξησις (auxesis) – Zuwachs, Vermehrung
2D
3D
> 0 < 0
> 0 nicht-auxetisch
< 0 auxetisch
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Erst im negativen Randgebiet des Definitionsbereichs signifikante Auswirkungen von auf das Material- bzw. Strukturverhalten!
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Einfluss von auf den Schubmodul
0
20
40
60
80
100
120
-1,00 -0,75 -0,50 -0,25 0,00 0,25 0,50
2 1
EG
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Material mit stark negativer Poissonzahl bietet potentiell erhebliche Vorteile in vielen Anwendungsfällen
Problem: Nahezu keine natürlichen auxetischen Materialien bekannt
Lösungsansätze
(i) Materialforschung & Materialneuentwicklung (ii) Strukturierung etablierter Werkstoffe
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Strukturierung etablierter Werkstoffe
Herkömmliche Struktur
( > 0)
FE-Simulation
Auxetische Struktur
( < 0)
Realer Zugversuch
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Strukturierung etablierter Werkstoffe
hEZ
bEZ
tc
hEZ
b l1
bEZ
tc
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Strukturierung etablierter Werkstoffe
rc
hEZ
b
rc
hEZ
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Auxetik – Atypisches Deformationsverhalten
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Auxetik – Atypisches Deformationsverhalten
↓ ↓
Sattelfläche (antiklastisch) Kuppelform (synklastisch)
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Analogien zellularer Bauweisen in der Natur
© gradt – fotolia.com © Peter Höbel – mikroskopie-ph.de
© Joi – flickr.com © I. Haas – Botanischer Garten Berlin
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Dünnwandige Bauteile unter axialer Druckbeanspruchung (quasi-statisch)
Problem: Stabilitätsproblem – Knicken / Beulen / Knittern
Simulation: Vor- und Nachbeulanalyse gewichtsgleicher
Blechvarianten mit auxetischen Strukturen
Ergebnis: • Abminderung des abrupten Tragfähigkeitsverlustes
aufgrund stabilisierender Querzugspannungen
• Höhere strukturelle Integrität
Anwendungsgebiete Auxetik - Leichtbau
Deformation u1
RF1
u3
Deformation u1
0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,1
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
u1
3
2
1
RF1
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Dünnwandige Bauteile unter thermischer Beanspruchung
Problem: Versagen aufgrund thermisch induzierter
Zwängungsspannungen (biaxialer Druck)
Simulation: Vor- und Nachbeulanalyse gewichtsgleicher Varianten
Ergebnis: • Überlagerung elastischer & thermischer Dehnungen
• Reduktion der seitlichen Auflagerkräfte um 90 %
• Reduktion der Deformationen um 85 %
• Erhöhung der kritischen Beultemperatur
Anwendungsgebiete Auxetik - Leichtbau
0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,1
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
-1,0-0,8
-0,6-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,40,6
0,81,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
RF2
Temperatur T
RF2
RF1
∆T
Temperatur T
u3
3
2
1
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Anwendungsgebiete Auxetik – Defense & Schutz
www.ccc.nps.navy.mil/si/sept02/homeland.asp
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EH
nicht-auxetisches Material
auxetisches Material
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Crashabsorptionselemente und Opferstrukturen
Anwendungsgebiete Auxetik – Defense & Schutz
v2,init starrer Stoßkörper
Problem: Personen- und Güterschutz beim Körperaufprall (LVI)
Simulation: Analyse der schutzrelevanten Strukturparameter
Ergebnis: • Reduktion der Axialstauchung um 20 %
• Reduktion der res. Auflagerbelastung um 50 %
• Verdoppelung der Energiedissipationsleistung
• Kein zusätzlicher Raumbedarf während d. Deformation
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Ebene Sandwich-Konstruktionen unter ballistischen Einwirkungen
Problem: Personen- und Güterschutz beim Körperaufprall (HVI)
Simulation: Analyse der schutzrelevanten Strukturparameter
gewichtsgleicher SW-Panels mit auxetischem Kern
Ergebnis: • Verhinderung der vollständigen Penetration
• Reduktion der res. Auflagerbelastung um 90 %
• Erhöhung der Energiedissipationsleistung um 20 %
Anwendungsgebiete Auxetik – Defense & Schutz
Projektil msph = 10 g rsph = 15 mm
v3,init = 200 m/s
top bottom
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Rissmanagement und Aufwertung spröder Materialien
Problem: Rissbildung und Strukturversagen aufgrund von
Zugspannungen
Simulation: Analyse spröder Matrixmaterialien in Kombination
mit duktilen auxetischen Gittereinlagen
Ergebnis: • Reduktion der maximalen Hauptzugspannungen
• 3D-Vorspannung mit Linearaktor möglich
• Selbstverstärkender Effekt während der Belastung
Anwendungsgebiete Auxetik – Hybridstrukturen
+
Smax = Sref
hoch
niedrig
Maximale Hauptzugspannungen
Smax = 1,36 Sref Smax = 0,63 Sref
(a) (b) (c)
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Anwendungsgebiete Auxetik – Smart Structures
Material: Aluminium
Abmessungen: 350 x 300 x 6 mm
Zellwanddicke: 0.5 mm
Krümmungsänderung durch reine Axialbelastungen (reversibel)
Aktion in Längsrichtung: 10 mm
Reaktion aus der Ebene: 90 mm
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Anwendungsgebiete Auxetik – Smart Structures
Krümmungsänderung durch reine Axialbelastung
Auftriebsteuerung Adaption von Flossenbewegungen
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Krümmungsänderung durch reine Axialbelastung
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Auxetische Strukturierungen
Fazit Innovative und effiziente Lösungsansätze für viele technische Anwendungen
Vorteile:
Einfluss auf alle maßgeblichen
mechanischen Strukturparameter
Neue Funktionalitäten
Kombination von Technik & Design
Materialunabhängigkeit
Großer Parameterraum für Problemlösung
Erprobte Fertigungsverfahren anwendbar
Kundennutzen:
Materialersparnis bzw. verbesserte
mechanische Eigenschaften
Alleinstellungsmerkmal „Auxetik“
Sicherheit durch Patentierung
Maßgeschneiderte Lösungen
Hohe Designflexibilität
Keine einfache Übertragbarkeit
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Applied Auxetics GmbH Emil-Figge-Straße 80 44227 Dortmund Telefon: +49 (0) 231 9742 7780 Fax: +49 (0) 231 9742 210 [email protected] www.applied-auxetics.de
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