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Laborausstattung des Lehrstuhls
Hier finden Sie eine virtuelle Führung durch unser Labor:
Uniaxialer Zug-/Druckversuch (0,3 kN)
Bei diesem Versuchsstand handelt es sich um einen Eigenbau, der sowohl für Zug- als auch Druckversuche an weichen Materialien mit maximalen Lasten bis 300 N geeignet ist. Hierbei können sowohl Polymere als auch Fasermaterialien und biologische Gewebe untersucht werden. Durch einen Adapter mit einer Klinge als Dorn können auch Eindrückversuche an bogenförmigen Bauteilen wie Polymerdichtungen und Knorpelspangen durchgeführt werden.
Uniaxialer Zug-/Druckversuch (6 kN)
Bei diesem Versuchsstand handelt es sich um einen Eigenbau, der für uniaxiale Zug- bzw. Druckversuche in einem Kraftbereich von bis zu 6 kN genutzt werden kann. In einer eigens entwickelten Thermokammer können die Proben bei konstanter Temperatur zwischen -10°C und 90°C mit einer Temperaturkonstanz von 0,05 K geprüft werden.
Instron E10000 Puls – Zug, Druck, Torsion (10 kN, 100 Nm)
Unsere komplett elektrische Universalprüfmaschine E10000 Puls Linear-Torsion der Fa. Instron ist nicht nur in der Lage uniaxiale Zug- oder Druckversuche mit Lasten von ± 10 kN durchzuführen, sondern auch Torsionsversuche mit bis zu 100 Nm. Durch die entkoppelten Antriebe für Linear- und Torsionsbewegung können sogar Torsionsversuche mit zusätzlicher uniaxialer Auflast im Zug- oder Druckbereich realisiert werden. Damit sind dynamische sowie quasistatische Prüfungen unterschiedlichster Materialien von Polymeren, Metallen über Schäume bis zu Biomaterialien wie Knochen oder Gewebe möglich. Durch die flexible und vielseitige Art der Lastaufbringung können mittels einer einzigen Prüfmaschine nicht nur uniaxiale Kraft-Verschiebungskurven (Spannungs-Dehnungs-Kurven) aufgenommen sondern auch weite Bereiche von Fließflächen unter multiaxialer Belastung abgebildet werden. Mit der angeschlossenen Thermokammer sind auch Versuche bei unterschiedlichen konstant gehaltenen Temperaturen zwischen -150°C und 350°C möglich.
Biaxialer Zugversuch (0,5 kN)
Materialien werden nur in den seltensten Fällen rein uniaxial auf Zug oder Druck belastet. Gerade Folien, Polymermembranen und Bleche stehen oft unter biaxialer Belastung. Dabei zeigen die meisten Materialien ein im Vergleich zu uniaxialer Belastung verändertes Materialverhalten. Bei dem biaxialen Zugversuchsstand am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik handelt es sich um einen Eigenbau, bei dem eine Kreuzprobe in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen unabhängig voneinander biaxial mit maximal 500 N je Richtung belastet werden kann. Die Probenform wurde numerisch optimiert, so dass in der Mitte der Kreuzproben ein biaxialer Bereich maximaler Größe zur Auswertung entsteht. Die Erfassung der inhomogenen Dehnungen in diesem Bereich erfolgt berührungslos mittels Digital Image Correlation (DIC).
Biaxialer Zugversuch (15 kN)
Während der oben vorgestellte biaxiale Zugversuchsstand nur für weiche Materialien geeignet ist, können mit diesem Eigenbau Versuche in einem Kraftbereich von bis zu 15 kN und damit auch an metallischen Proben durchgeführt werden. Abgesehen vom Kraftbereich entspricht der Versuchstand bezüglich seiner Steuerung und den möglichen Versuchsführungen seinem kleineren Pendant.
Aufblastest
Der äquibiaxiale Zugversuch, auch Aufblastest oder Bulgetest genannt, ist ein Eigenbau und dient der Untersuchung des Materialverhaltens von Folien oder Membranen unter äquibiaxialem Dehnungszustand. Dieser Zustand zeichnet sich durch gleichförmige Dehnungen in zwei Richtungen aus. Als Probenkörper dient eine Membran konstanter Stärke mit einer Dicke von 1-3 mm, welche luftdicht auf die Öffnung einer Probenkammer gepresst wird. Über einen Druckregler wird in der Probenkammer ein Überdruck durch Luft erzeugt, der die Membran nach außen wölbt und somit gleichmäßig in tangentialer Richtung dehnt. Bei einem bestimmten Kammerdruck kann über den Krümmungsradius der entstandenen Blase und über eine Dehnungsmessung auf die Spannung der Probe geschlossen werden.
Reine Biegung
Neben Adaptionen zur Durchführung von 3-Punkt- und 4-Punkt-Biegeversuchen verfügt der Lehrstuhl für Angewandte Mechanik über einen eigens gebauten Versuchsstand zur Durchführung von reiner Biegung. Während bei der 2-Punkt-, 3-Punkt- und 4-Punktbiegung neben einer Belastung durch Biegemomente zusätzlich eine Belastung durch Querkräfte im Körper auftreten, findet bei reiner Biegung nur eine Belastung durch Biegemomente an den Enden der langen, schlanken Probe statt. Der Versuchsstand dient vor allem zur Untersuchung von Kabeln, Kunststoffstäben oder Polymerstäben. Da Kabel in ihrer Anwendung nicht nur einer reinen Biegung unterzogen werden, sondern oft auch tordiert oder gezogen werden, können auch diese Belastungszustände alleine oder auch kombiniert an dem Versuchsstand gezielt eingestellt werden. Dabei können Zug-, Biege- und Torsionssteifigkeiten der Kabel unabhängig voneinander bestimmt werden.
Arcan- und Nakajima-Versuch (50 kN)
Sowohl beim Arcan- als auch beim Nakajima-Versuch werden spezielle Probenklemmungen und Adaptionen zur Durchführung mehraxialer Versuche bei uniaxialem Antrieb der Prüfmaschine eingesetzt. Bei der Prüfmaschine handelt es sich um einen Eigenbau einer uniaxialen Zug-Druck-Prüfmaschine mit einem Kraftbereich von bis zu 50 kN.
Der Arcan-Versuch dient vor allem zur Durchführung von reinen Zug-, Druck- und Schubversuchen sowie Zug- und Druckversuchen mit kombinierter Schubbelastung an faserverstärkten Kunststoffen, Schäumen und anderen plattenförmigen Materialien. Dazu werden schmetterlingsförmige Proben in die Arcan-Halterung eingespannt. Durch Drehen der Probenhalterung relativ zur Antriebsachse der Prüfmaschine können unterschiedliche Belastungskombinationen von Zug, Druck und Schub in den Proben realisiert werden.
Der Nakajima-Versuch ist einem Tiefziehversuch nachempfunden. Durch Belastung einer eingespannten scheibenförmigen Probe (Ronde) mit einem halbkugelförmigen Stempel kann ein mehraxialer Belastungszustand erzeugt werden. Werden aus der Ronde gezielt an zwei gegenüberliegenden Seiten kreisförmige Abschnitte entfernt, können je nach Radius unterschiedliche Belastungszustände erzielt werden. Dies reicht vom äquibiaxialem Zug analog zum Aufblasversuch für die vollständige scheibenförmige Ronde bis hin zum uniaxialen Zugversuch bei Abschnitten mit sehr großem Radius. Allgemein gilt hierbei, je stärker eine Verjüngung des Vollmaterials in der Probenmitte vorhanden ist, je geringer ist somit die zu belastende Stegbreite und desto näher kann der Vergleich zum uniaxialen Zugversuch gezogen werden.
Digitale Bildkorrelation
Die Digitale Bildkorrelation (engl. Digital image correlation, DIC) ist ein optisches, kamerabasiertes, berührungsloses Verfahren zur vollfeldlichen Verformungsmessung auf selbst komplex geformten Proben. Das Verfahren basiert auf der Verfolgung zufälliger natürlicher oder künstlich aufgebrachter sogenannter Specklemuster (Oberflächenmuster) auf der Probe, indem diskrete Facetten auf dem Muster mittels Kreuzkorrelation analysiert werden. Durch Verwendung einer Kamera können nur in-plane Deformationen mittels 2D DIC analysiert werden. Unter Verwendung von zwei Kameras können mittels 3D DIC auch out-of-plane Deformationen untersucht werden. Am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik wird die kommerzielle Software Instra4D von Dantec Dynamics verwendet. Dadurch kann die Deformation während der Materialprüfung mit bis zu 16 Kameras gleichzeitig beobachtet werden, um selbst bei Torsionsversuchen das Oberflächenmuster während großer Deformationen verfolgen zu können. Durch entsprechende Wahl der Objektiv-Kamera-Kombination können sowohl millimetergroße als auch metergroße Proben untersucht werden.
Knochenbrechprüfstand
Der Knochenbrechprüfstand erzeugt reproduzierbare vordefinierte Frakturen. Dazu werden die Knochen mit Hilfe von Matrixklemmen in die Vorrichtung eingespannt. Angetrieben wird das Experiment durch Schrittmotoren. Kraftsensoren messen und kontrollieren den Ablauf während des Brechens. Zusätzlich wird das Experiment gefilmt, um die Frakturentstehung zu dokumentieren. Das kontrollierte Brechen der Knochen erfolgt dabei anhand eines Belastungsszenarios aus einer Datenbank, welche verschiedene Belastungsereignisse enthält, die mit Daten des jeweiligen Knochenspenders kalibriert werden.
Die axiale Belastung entspricht dabei beispielsweise der maximalen Kraft, die bei einem Vorwärtsschritt auftritt. Um den Bruch zu generieren, wird dann eine Rotation seitens des Knöchels aufgebracht, bis es zum Frakturereignis kommt.
Gangprüfstand
Nachdem der Knochen mit Hilfe des Knochenbrechprüfstands gebrochen wurde, wird als nächstes die Fraktur behandelt. Dabei versorgt ein Unfallchirurg den Knochen mit einem Implantat. Der mit dem Implantat versorgte Knochen wird dann in den Gangprüfstand eingespannt.
Es wird ein mechanisches Belastungsszenario auf das Knochen-Implantat-System angewendet. Simuliert wird die Gangbewegung unter verschiedenen Gewichtsbelastungen. Die Grundlage der Simulation bilden erneut die Daten der Datenbank, die bereits beim Knochenbrechprüfstand genutzt werden.
Während der Testung werden die Spannungen und Dehnungen über ein Hochgeschwindigkeitskamerasystem in Kombination mit digitaler Bildkorrelation und mehreren Druck- und Kraftmessungen gewonnen. Somit lassen sich konkrete Aussagen über die auftretenden Scherdehnungen unter den verschiedenen Gewichtsbelastungen im Frakturspalt formulieren.