Mechanisches Labor

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Laborausstattung des Lehrstuhls für Technische Mechanik

Hier findest du eine virtuelle Führung durch unser Labor:

Servicestelle mechanische Werkstoffprüfung

Der Lehrstuhl für Technische Mechanik ist auch in die gemeinschaftliche Leitung der Servicestelle mechanische Werkstoffprüfung zusammen mit dem Lehrstuhl für Experimentelle Methodik der Werkstoffwissenschaften involviert. Die Servicestelle bietet die Ermittlung mechanischer Werkstoffkennwerte und materialmechanische Untersuchungen an. Sie ist in den Forschungsbetrieb der Fachrichtung Materialwissenschaften und Werkstofftechnik eingebunden und beteiligt sich darüber hinaus an der Lehre.

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 Eindruckversuche an bogenförmigen Bauteilen wie Polymerdichtung und Knorpelspangen durchgeführt werden.

 

Uniaxialer Zug-/Druckversuch (6 kN)

Bei diesem Versuchsstand handelt es sich in um einen Eigenbau, der für uniaxiale Zug- bzw. Druckversuch 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.

 

Der Versuchsstand im Video

 

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) sondern weite Bereiche der Fließflächen obiger Materialien unter multiaxialer Belastung abgebildet werden. Mit der angeschlossenen Thermokammer sind auch Versuche bei unterschiedlichen konstant gehaltenen Temperaturen zwischen -150°C und 350°C möglich.

 

Der Versuchsstand im Video

 

Biaxialer Zugversuch (0,5 kN)

Im täglichen Leben werden Materialien nur in den seltensten Fällen rein uniaxial mit Zug oder Druck belastet. Gerade Folien, Polymermembranen und Bleche stehen oft unter biaxialer Belastung. Dabei zeigen die Materialien im Vergleich zu uniaxialen Versuchen verändertes Materialverhalten, das sich in veränderten Fließ- und Versagensbereichen ausdrücken. Bei dem biaxialen Zugversuch am Lehrstuhl für Technische Mechanik handelt es sich um einen Eigenbau, bei dem die Probe 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 der Versuche entsteht. Die Erfassung der inhomogenen Dehnungen in diesem Bereich erfolgt berührungslos mittels Digital Image Correlation (DIC).

 

Biaxialer Zugversuch (15 kN)

Während der bisher vorgestellte biaxiale Zugversuch 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.

 

Der Versuchsstand im Video

 

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. 

 

Mikromechanische Universalprüfmaschine (6 kN) Zug, Druck, Biegung, Mikroindentation

Die Untersuchung von zellulären Materialien wie Schäumen oder die spongiöse Struktur in Femurknochen auf der Mikroskala erfordert Versuche an einzelnen Stegen von Metallschäumen oder einzelnen Knochentrabekeln. Dabei ergeben sich durch die komplexe, unregelmäßige Form der Proben im Vergleich zu DIN-genormten Zugproben spezielle Anforderungen an die Einspannung der Proben als auch die Auswertung der Ergebnisse. Da die Proben in einer Größenordnung zwischen konventionellen Universalprüfeinrichtungen und in-situ Prüfsystemen im Rasterelektronenmikroskop oder Nanoindenter liegen, wurde ein Eigenbau entwickelt, der für Untersuchungen von Schäumen und Metamaterialien auf der Mesoskala bis zu ± 6 kN Last aufbringen kann und bei Versuchen an Einzelstegen eine Wegauflösung von 0,5 µm besitzt. Durch die komplexe Probengeometrie und die notwendige hohe Präzision können die Verschiebungen nur mittels optischer Verfahren wie der Digitalen Bildkorrelation ausgewertet werden. Durch die Subpixelauflösung werden dabei Messgenauigkeiten von bis zu 0,1 µm erzielt.

 

Der Versuchsstand im Video

 

Hydrostatischer Druckversuch

Bei dem hydrostatischen Druckversuch handelt es sich um einen Eigenbau, der zur Untersuchung des Kompressionsverhaltens vor allem von Elastomeren dient. Mit einem Druck von bis zu 100 bar können sowohl poröse Elastomere wie Moosgummi als auch quasiinkompressible Materialien geprüft werden. Dabei wird eine schlanke, zylinderförmige Probe in der Probenkammer von einem inkompressiblen Medium umgeben und das Kammervolumen durch einen Druckübersetzer über einen Kolben verringert. Die Probe wird hydrostatisch deformiert und der korrespondierende Druck in der Probenkammer aufgezeichnet.  

 

Reine Biegung

Neben Adaptionen zur Durchführung von 3-Punkt- und 4-Punkt-Biegeversuchen verfügt der Lehrstuhl für Technische 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.

 

Der Versuchsstand im Video

 

Arcan- und Nakajima-Versuch (50 kN)

Der Arcan- als auch der Nakajima-Versuch sind spezielle Probenklemmungen und Adaptionen zur Durchführung mehraxialer Versuche trotz eines lediglich uniaxialen Antriebs der Prüfmaschine. 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 Technische 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.

 

Der Versuchsstand im Video

 

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.

 

Der Versuchsstand im Video