Mechanisch-technologische Eigenschaften generativ gefertigter Bauteile in Abhängigkeit von der Bauteilorientierung

In dem Artikel wird eine Versuchsreihe vorgestellt und ausgewertet, die zur Ermittlung orientungsabhängiger mechanisch-technologischer Eigenschaften von generativ gefertigten Bauteilen, am Institut für Konstruktionstechnik, durchgeführt wurde. Es wird gezeigt, dass Zugfestigkeit und Bruchdehnung deutlich unter denen des Ausgangsmaterials liegen und sehr stark von der Orientierung des Bauteils abhängen.

Ermittlung optimaler Bauteilorientierung zur Verbesserung der Prozessplanung in der CAD/RP-Kette

Ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Bauteilqualität und Prozessgüte bei der generativen Herstellung von Prototypen ist die Orientierung der Bauteile. So kann eine optimierte Ausrichtung den Treppenstufeneffekt (Staircasing) sowie den Curling-Effekt minimieren und somit die Oberflächenqualität bzw. die Bauteilgenauigkeit erhöhen oder die Berücksichtigung von Formtoleranzen (z.B. Rundheit) ermöglichen. Des Weiteren können verschiedene Bauteilausrichtungen unterschiedliche Ausführungen von Stützkonstruktionen bewirken und die Bauteilstabilität beeinflussen. Diese und ähnliche Wechselwirkungen gilt es bei der Auswahl einer geeigneten Bauteilorientierung für RP-Anwendungen zu berücksichtigen. Dieser Vortrag stellt ein generisches System vor, welches unter Berücksichtigung der genannten Einflussfaktoren sowie weiterer Effekte eine rechnergestützte Optimierung der Bauteilorientierung durchführt. Neben der weiterhin notwendigen Erfahrung der Anwender zur endgültigen Festlegung der fallabhängigen Bauteilausrichtung liefert das System Vorschläge auf Basis einer intensiven Geometrieanalyse, die eine entsprechende Datenaufbereitung im Rahmen der Prozessplanung unterstützen.

Untersuchung der Eignung von Kräutern zur Sodenproduktion

Als Kräuter werden alle krautigen Pflanzen, die nicht zu den Gehölzen und zu den Gräsern zählen, bezeichnet. Sie erfüllen wichtige Funktionen bei der Förderung von Insekten und der Ästhetik von Landschaften und tragen zur Verbesserung des Grundfutters landwirtschaftlicher Nutztiere bei. Ansaaten von Kräutern in geschlossene Vegetationsdecken und bei Neuanlagen sind durch deren langandauernde Entwicklungsphasen sehr schwierig zu realisieren. Eine innovative Option zur Etablierung in Grünlandbeständen kann die Herstellung von Kräutersoden sein. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Eignung von Kräutern zur Sodenproduktion. Durch unterschiedliche Merkmale von Kräutern und Gräsern können Probleme bei der Entwicklung von Kräutersoden auftreten. In dieser Arbeit sind verschiedene Anbauversuche mit Wurzelkürzungen und Ertragsbestimmungen sowie Sodenverpflanzungen, die Ermittlung eines optimalen Trägermaterials und Untersuchungen zur Entwicklung eines Sodenschneidersystems durchgeführt worden. Wurzelkürzungen an Kräutern ergaben, dass die Bildung der Gesamtwurzelmasse, der Wurzelneubildung und der Masse des Oberbewuchses bei einzelnen Kräutern nur z.T. im Zusammenhang mit der Schnitttiefe stehen und die Entwicklungsstadien der Kräuter keine signifikanten Unterschiede aufzeigen. Hieraus ergibt sich, dass ein Wurzelschnitt generell möglich ist, jedoch verschiedenen Arte von Kräutern unterschiedlich stark auf diesen reagieren. Zu den Entwicklungsstadien, zum Ertrag des Bewuchses und zum Anwurzelungsverhalten von Kräutersoden können in Abhängigkeit vom Vorzuchtsort und im Vergleich zu Fertigrasen keine abschließenden Aussagen getroffen werden. Es besteht daher weiterer Forschungsbedarf. Ein kombinierter Anbau mit Untergräsern eignet sich durch die wuchsverdrängende Wirkung nicht zur Stabilisierung von Kräutersoden. Es konnte aber gezeigt werden, dass Trägermaterial aus Kokosfaser durch die hohe Zugfestigkeit und der Langlebigkeit des Materials geeignet ist. Demzufolge könnte es bei der Produktion von Kräutersoden eine wichtige Rolle spielen. Das Design von Sodenschneidertechnik aus dem Fertigrasenanbau kann nicht auf die Erzeugung von Kräutersoden übertragen werden, da Kräuter andere Wurzelmerkmale als Gräser haben und sich daher spezielle Anforderungen ergeben. Für einen erfolgreichen Schälvorgang von Kräutersoden bedarf es der Entwicklung einer speziell angepassten Technik. Denkbar währe die Verwendung oszillierender Schneideorgane, welche den Schneidevorgang besser ermöglichen könnten. Dadurch, dass ein flacher Wurzelschnitt bei Kräutern erfolgen kann, ist eine Erzeugung von Kräutersoden möglich. Aufgrund von morphologischen Unterschieden zwischen Kräutern und Gräsern unterscheiden sich diese in ihren Anforderungsprofilen, die Techniken der Fertigrasenproduktion können somit nicht direkt auf eine Kräutersodenproduktion übertragen werden. Mit dieser Arbeit fand ein erster Ansatz zur technischen Entwicklung einer Kräutersodenproduktion statt. Die Versuche haben gezeigt, dass noch viele Fragen bei der Entwicklung von Kräutersoden offen sind.

Zum Querkrafttragverhalten von UHPC-Balken mit kombinierter Bewehrung aus Stahlfasern und Stabstahl

Ultrahochfester Beton besitzt aufgrund seiner Zusammensetzung eine sehr hohe Druckfestigkeit von 150 bis über 200 N/mm² und eine außergewöhnlich hohe Dichtigkeit. Damit werden Anwendungen in stark belasteten Bereichen und mit hohen Anforderungen an die Dauerhaftigkeit des Materials ermöglicht. Gleichzeitig zeigt ultrahochfester Beton bei Erreichen seiner Festigkeit ein sehr sprödes Verhalten. Zur Verhinderung eines explosionsartigen Versagens werden einer UHPC-Mischung Fasern zugegeben oder wird eine Umschnürung mit Stahlrohren ausgebildet. Die Zugabe von Fasern zur Betonmatrix beeinflusst neben der Verformungsfähigkeit auch die Tragfähigkeit des UHPC. Das Versagen der Fasern ist abhängig von Fasergeometrie, Fasergehalt, Verbundverhalten sowie Zugfestigkeit der Faser und gekennzeichnet durch Faserauszug oder Faserreißen. Zur Sicherstellung der Tragfähigkeit kann daher auf konventionelle Bewehrung außer bei sehr dünnen Bauteilen nicht verzichtet werden. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1182 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wurden in dem dieser Arbeit zugrunde liegenden Forschungsprojekt die Fragen nach der Beschreibung des Querkrafttragverhaltens von UHPC-Bauteilen mit kombinierter Querkraftbewehrung und der Übertragbarkeit bestehender Querkraftmodelle auf UHPC untersucht. Neben einer umfassenden Darstellung vorhandener Querkraftmodelle für Stahlbetonbauteile ohne Querkraftbewehrung und mit verschiedenen Querkraftbewehrungsarten bilden experimentelle Untersuchungen zum Querkrafttragverhalten an UHPC-Balken mit verschiedener Querkraftbewehrung den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit. Die experimentellen Untersuchungen beinhalteten zehn Querkraftversuche an UHPC-Balken. Diese Balken waren in Abmessungen und Biegezugbewehrung identisch. Sie unterschieden sich nur in der Art der Querkraftbewehrung. Die Querkraftbewehrungsarten umfassten eine Querkraftbewehrung aus Stahlfasern oder Vertikalstäben, eine kombinierte Querkraftbewehrung aus Stahlfasern und Vertikalstäben und einen Balken ohne Querkraftbewehrung. Obwohl für die in diesem Projekt untersuchten Balken Fasergehalte gewählt wurden, die zu einem entfestigenden Nachrissverhalten des Faserbetons führten, zeigten die Balkenversuche, dass die Zugabe von Stahlfasern die Querkrafttragfähigkeit steigerte. Durch die gewählte Querkraftbewehrungskonfiguration bei ansonsten identischen Balken konnte außerdem eine quantitative Abschätzung der einzelnen Traganteile aus den Versuchen abgeleitet werden. Der profilierte Querschnitt ließ einen großen Einfluss auf das Querkrafttragverhalten im Nachbruchbereich erkennen. Ein relativ stabiles Lastniveau nach Erreichen der Höchstlast konnte einer Vierendeelwirkung zugeordnet werden. Auf Basis dieser Versuchsergebnisse und analytischer Überlegungen zu vorhandenen Querkraftmodellen wurde ein additiver Modellansatz zur Beschreibung des Querkrafttragverhaltens von UHPCBalken mit einer kombinierten Querkraftbewehrung aus Stahlfasern und Vertikalstäben formuliert. Für die Formulierung der Traganteile des Betonquerschnitts und der konventionellen Querkraftbewehrung wurden bekannte Ansätze verwendet. Für die Ermittlung des Fasertraganteils wurde die Faserwirksamkeit zugrunde gelegt. Das Lastniveau im Nachbruchbereich aus Viendeelwirkung ergibt sich aus geometrischen Überlegungen.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Grundlagen des Rapid Prototyping

Generative Verfahren sind seit etwa 1987 in den USA und seit etwa 1990 in Europa und Deutschland in Form von Rapid Prototyping Verfahren bekannt und haben sich in dieser Zeit von eher als exotisch anzusehenden Modellbauverfahren zu effizienten Werkzeugen für die Beschleunigung der Produktentstehung gewandelt. Mit der Weiterentwicklung der Verfahren und insbesondere der Materialien wird mehr und mehr das Feld der direkten Anwendung der Rapid Technologie zur Fertigung erschlossen. Rapid Technologien werden daher zum Schlüssel für neue Konstruktionssystematiken und Fertigungsstrategien. Die Anwendertagung Rapid.Tech befasst sich mit den neuen Verfahren zur direkten Produktion und den daraus erwachsenden Chancen für Entwickler und Produzenten. Die Kenntnis der Rapid Prototyping Verfahren wird bei den meisten Fachvorträgen auf der Rapid.Tech vorausgesetzt. Für diejenigen, die sich bisher mit generativen Verfahren noch nicht beschäftigt haben, oder die ihre Grundkenntnisse schnell auffrischen wollen, haben wir die folgenden Zusammenfassung der Grundlagen der generativen Fertigungstechnik, der heutigen Rapid Prototyping Verfahren, zusammengestellt.

Ansätze zur Verbesserung von Qualität und Wirtschaftlichkeit bei generativen Verfahren durch Optimierung des Pre-Processes

Mittels generativer Fertigung ist es heute möglich die, Entwicklungszeit und Ferti-gungsdauer von Prototypen, Produkten und Werkzeugen zu verkürzen. Neben dieser Zeitersparnis sind die im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren unwe-sentlichen Geometriebeschränkungen für den Anwender von besonderem Interesse. Dieses Alleinstellungsmerkmal der generativen Fertigung macht es möglich auch komplexe Geometrie wirtschaftlich herzustellen. Voraussetzung für eine wirtschaftli-che und fehlerminimierte Fertigung ist hierbei eine möglichst optimale Prozessvorbe-reitung (Pre-Processing). Dabei sind insbesondere die Schritte der Bauteilorientie-rung, der Stützkonstruktionserzeugung, der Schichtzerlegung sowie der Bauraum-ausnutzung von Interesse. Auch wenn diese Punkte wesentlich zur Qualität und Wirtschaftlichkeit beitragen, sind die Erkenntnisse für den unerfahrenen Anwender nur unzureichend dokumentiert, wodurch eine möglichst effiziente Fertigung zu-nächst ausgeschlossen werden kann. Anhand unterschiedlicher Beispiele sollen dem Anwender hier die Möglichkeiten zur Optimierung dieser Pre-Processing Schritte er-läutert werden. In diesem Rahmen werden die aktuellen Forschungsergebnisse des Lehrstuhls Rechnereinsatz in der Konstruktion, Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen in Bezug auf die Optimierung der Bauteilorientierung, der variablen Schichtzerlegung und der Optimierung der Bauraumausnutzung vorgestellt.

Neue Generation von Aufzügen mit Faserseil

Energieeffiziente und leistungsfähige Zug- und Tragmittel aus hochmoduligen (HM) und hochfesten (HT) Fasern rücken seit einigen Jahren in den Fokus von Aufzugherstellern und Betreibern. Hauptgrund dafür ist, das die bisher eingesetzten Stahldrahtseile auf Grund ihrer vergleichsweise hohen Eigenmasse an technische Grenzen stoßen. Seile aus hochfesten Polymerfasern haben gegenüber Stahldrahtseilen eine vergleichbare oder sogar höhere Zugfestigkeit und ein vier- bis sechsfach geringeres Gewicht. Um das Potential dieser Fasern optimal auszunutzen, sind sowohl die Anordnung der Fasern als auch die Schmierstoffeinbringung zu untersuchen. Diesbezüglich wurden verschiedenen Seilkonstruktions- und Schmierstoffvarianten entwickelt und im Dauerbiegeversuch validiert.

Schadensanalyse hochfester Faserseile

Bis heute werden in Unstetigförderern, wie Kränen und Aufzügen, fast ausschließlich Stahldrahtseile und Stahlketten eingesetzt. Gleichwohl weisen diese Zugmittel wesentliche Nachteile, wie z. B. eine hohe Ei-genmasse, geringe Biegeflexibilität und Korrosionsempfindlichkeit, auf. Um den stetig wachsenden Anforderungen insbesondere im Bereich der „laufenden Seile“ gerecht werden zu können, müssen alternative Zugmittel, unter Verwendung neuer Technologien und Werkstoffe, entwickelt und durch systematische Untersuchungen zur Serienreife geführt werden. Hochfeste Faserseile weisen bereits heute vielversprechende mechanische Eigenschaften hinsichtlich Zugfestigkeit, Schwingungsverhalten und Biegewechselfestigkeit auf. Dennoch ist ihr Einsatz aufgrund fehlender systematischer Untersuchungen, unzureichender Dimensionierungsgrundlagen sowie fehlender Verfahren zur Ablegereifeerkennung, zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht möglich. Mit Hilfe neuer Techniken und Verfahren, wie beispielsweise einer Mehrzonenbiegewechselmaschine für die Seilprüfung und der Computertomographie für die Seilanalyse sollen neue Erkenntnisse über das Ver-schleißverhalten von Faserseilen gewonnen und daraus abgeleitet neue Seilkonstruktionen sowie Ablegekriterien entstehen.