A) BOGY - Berufsorientierung am Gymnasium
B) Hector Project
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A) BOGY – Berufsorientierung am Gymnasium
Projektbericht Zeitraum: 24.10.2016 – 28.10.2016
1 Einleitung
1.1 Vorstellung vom BOGY-Projekt
Das BOGY-Projekt wurde im Rahmen des internationalen Graduiertenkollegs "Integrierte Entwicklung kontinuierlich-diskontinuierlich langfaserverstärkter Polymerstrukturen" (GRK 2078) am Institut für Technische Mechanik (ITM) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) durchgeführt. Es bot sich die Möglichkeit an, die verschiedenen Bereiche der Forschung und Lehre im Bereich der Technischen Mechanik und den alltäglichen Betrieb an den Einrichtungen des KIT kennenzulernen.
1.2 Aufgabenstellung
Das Ziel dieses Projektes am ITM war es, in zwei Versuchen, dem Zug- und dem Drei-Punkt-Biege-Versuch, metallbasierte Materialien, wie z.B. Aluminium und Stahl, und Leichtbaumaterialien, wie z.B. langfaserverstärkte Duromere und Thermoplaste aus dem GRK 2078, experimentell zu untersuchen und dabei deren Steifigkeit zu ermitteln. Hierbei sollten die folgenden Materialien untersucht werden:
| Zugversuch |
Drei-Punkt-Biege-Versuch |
| Acryl (rein) |
Polypropylen (PP) (rein) |
| Aluminium |
Langfaserverstärktes Thermoplast (LFT) auf Basis von Polypropylen |
| Polyethylen (rein) |
Langfaserverstärketes Duromer (LFD) auf Basis von
ungesättigtem Polyester Polyurethan Hybrid-Harz |
| Stahl |
|
Tabelle 1: Übersicht der Versuche
1.3 Betreuer und Anleitungen
Prof. Dr.-Ing. Thomas Böhlke gab uns eine Einführung in die Grundlagen der technischen Mechanik, um den theoretischen Hintergrund der mechanischen Versuche zu verstehen.
M. Sc. Andreas Prahs unterstützte uns bei der Durchführung der Versuche der an der Prüfmaschine am ITM. M. Sc. Mauricio Lobos unterstützte uns bei der Auswertung der Versuchsdaten mit dem Program Wolfram Mathematica®.
1.4 Nomenklatur
Die folgende Nomenklatur wird verwendet.
| Symbol |
Beschreibung |
Physikalische Einheit |
| σ |
Nennspannung
(Kraft pro Anfangsfläche) |
Ν/m² |
| ε |
Dehnung (relative Längenänderung) |
- |
| u |
Verschiebung infolge Zug/Druck |
m |
| w |
Verschiebung infolge Biegung |
m |
| l₀ |
Anfangslänge |
m |
| l |
Aktuelle Länge |
m |
| F |
Zugkraft |
Ν |
| A₀ |
(Ausgangs-)Querschnittsfläche |
m² |
| E |
Elastizitätsmodul |
Ν/m² |
| C |
Probensteifigkeit |
N/m |
Tabelle 2: Verwendete Symbole
2 Versuche
2.1 Aufbau
Für die Durchführung der Versuche verwendeten wir eine Prüfeinrichtung, die mit einer Handkurbel betrieben wird.
(a) (b) (c)
Abbildung 1: (a) Prüfeinrichtung; (b) Einsatz für Zugversuch; (c) Einsatz für Biegeversuch
Die Maschine besteht aus zwei Teilen, siehe Abbildung 1(a). An dem unteren Teil, auf dem sie auch steht, ist die Handkurbel angebracht. Der obere Teil ist beidseitig auf einer Gewindestange aufgesetzt, um die Zug- oder Druckkraft an die Probe weiterleiten zu können. Dies ist der bewegliche Teil der Maschine, der sich je nach Bewegungsrichtung der Kurbel nach oben oder unten bewegt. Beim Zugversuch wird die Probe an beiden Enden in die Vorrichtung eingeschraubt, siehe Abbildung 1(b). Beim Drei-Punkt-Biegeversuch muss ein zusätzlicher Aufsatz verwendet werden, siehe Abbildung 1(c). Hierbei liegt die Probe auf zwei dünnen Metallkeilen. Am oberen Teil der Prüfeinrichtung wird nur ein Metallkeil mit der flachen Seite nach unten angebracht. Der obere Keil trifft beim Runterdrücken auf der Mitte der Probe zwischen den beiden unteren Keilen auf.
Bei Bedarf kann man eine Software anschließen, die die Messung in Form einer Tabelle aufzeichnet. Die Messergebnisse kann man sich von der Software auch als Schaubild darstellen lassen. Bei den Versuchen hat die Software die auf die Probe wirkende Kraft (in Newton), die Vertikalverschiebung des oberen Teils der Probe (in Millimeter) und die Zeit (in Sekunden) aufgezeichnet.
2.2 Durchführung
Zusammen mit M.Sc. Andreas Prahs wurden die Materialproben am Gerät eingespannt und bis zur
maximalen Ausdehnung gezogen bzw. gedrückt. Das Gerät war mit einem Laptop verbunden, welcher die gemessenen Daten aufzeichnete.
Zugversuch
Hierbei haben wir die vier Materialien, Stahl und Aluminium (Metalle), Acryl (amorph) und Polyethylen
(amorph, teilkristallin) in das Materialprüfgerät vertikal eingespannt und kontinuierlich von der oberen Seite daran gezogen.
| |
Probenabmessungen
(alle Proben sind gleich) |
| l₀ |
29,7 mm |
| d₀ |
3,33 mm |
| A₀ |
π⋅(d/2)² = 8,71 mm² |
Tabelle 3: Probenabmessungen (Zug)
(a) (b)
Abbildung 2: (a) Zugproben; (b) Skizze vom Zugversuch
Drei-Punkt-Biege-Versuch
Bei diesem Experiment legten wir die Proben der Materialien LFT, UPPH und PP mit der breiten Grundseite auf die zwei Metallkeile auf. Anschließend drückten wir gleichmäßig von oben, mittig zu den unteren Keilen, auf die Probe.
| |
LFT |
PP |
UPPH |
| b |
10,12 mm |
20,34 mm |
19,90 mm |
| h |
3,12 mm |
4,03 mm |
19,90 mm |
| l |
70,25 mm |
70,25 mm |
70,25 mm |
Tabelle 4: Probenabmessungen (Dreipunktbiegung)
Abbildung 3: Biegeproben
Abbildung 4: Skizze vom Drei-Punkt-Biegeversuch
3 Auswertung
Nachdem wir uns alle wichtigen Abmessungen der Proben notiert hatten, mussten wir diese am Computer auswerten. Wie bei jedem Programm am Computer musste man auch hier genauestens auf jede Befehlszeile Acht geben, um genau das zu darzustellen, was man haben möchte. Somit waren wir die restlichen Tage mit den Auswertungen beschäftigt.
Zugversuch
Beim Zugversuch ist die theoretische Nennspannung, entsprechend der Modellierung von Abbildung 2 (b), das Verhältnis von Kraft F zur Anfangsqueschnittsfläche A₀ und berechnet sich als σ = F/A₀ σ=F/A_0. Das Verhältnis von Längenänderung Δl = l - l₀ (was der Vertikalverschiebung der Maschine entsprach) zur Anfangslänge l₀ wird als Dehnung ε bezeichnet und mittels ε = Δl / l₀ berechnet. Ausgehend von der gemessenen Kraft und der Vertikalverschiebung der Prüfeinrichtung, konnten wir die in der Probe wirkende Spannung σ und die dazugehörige Dehnung ε berechnen. Damit ist eine geometrieunabhängige Materialcharakterisierung möglich. Die Ergebnisse der Auswertung vom Zugversuch sind in Abbildung 5 dargestellt.
Abbildung 5: Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Zugversuche
Drei-Punkt-Biegeversuch
Beim Drei-Punkt-Biegeversuch wurden ebenfalls die Kraft F und die Vertikalverschiebung w der Maschine erfasst. Im Vergleich zum Zugversuch kann in diesem Fall für den kompletten nichtlinearen Messbereich kein einfacher Zusammenhang zu den Spannungen und Dehnung in der Probe nur aus den gemessenen Kraft- und Verschiebungsdaten aufgestellt werden. Dies ist nach der Theorie nur möglich im linearen Bereich. Dementsprechend werden im Folgenden für diesen Versuch nur das Kraft-Verschiebung-Diagramm dargestellt, siehe Abbildung 6.
Abbildung 6: Kraft-Verschiebungs-Diagramm der Biegeversuche
4 Fazit
Zugversuch
In Abbildung 5 sind die verschiedene Materialverhalten der metallbasierten Materialien (Aluminium
und Stahl) und Leichtbaumaterialien (Acryl und Polyethylen) deutlich zu erkennen.
Die jeweiligen linearen Bereiche, beschrieben durch das linear-elastische Gesetz σ = E ε mit dem Elastizitätsmodul E (welches mit der Probensteifigkeit C über C = EA₀ / l₀ zusammenhängt) sind unterschiedlich groß. Der lineare Bereich von Stahl und Aluminium ist ungefähr gleich groß (in ε-Richtung). Stahl weist aber die größte Steigung auf, besitzt also die größte Steifigkeit (größtes Elastizitätsmodul) der im Zugversuch getestete Materialien. Von Aluminium über Acryl bis hin zum Polyethylen sind die Materialien immer weniger steif. Die metallbasierten Materialien zeigen also eine höhere Steifigkeit als die Leichtbaumaterialien, welche aber einen großen linearen Bereich (in den Dehnungen) zeigen.
Stahl hat gleichzeitig zu seiner größten Steifigkeit auch den kleinsten nichtlinearen Bereich bis zum Versagen im Vergleich zu den anderen Materialien. Acryl hat einen geringfügig größeren nichtlinearen Bereich als Stahl. Den größten nichtlinearen Bereich (in den Dehnungen) weist das Polyethylen gleichzeitig zur geringsten Steifigkeit auf.
Auffällig ist, dass alle Materialien (im Vergleich zu ihren linearen Bereichen) einen wesentlich größeren nichtlinearen Dehnungsbereich aufzeigen.
Drei-Punkt-Biegeversuch
Im Biegeversuch konnte man ebenfalls einen deutlichen Unterschied im Verhalten der verschiedenen Materialproben feststellen, siehe Abbildung 6. Der lineare Bereich, beschrieben in diesem Fall durch F = C w mit der Probensteifigkeit C (welche mit dem Elastizitätsmodul vom Material über
C = 4 b h³ E / l³ zusammenhängt), ist nur begrenzt gültig.
Der lineare Dehnungsbereich der PP-Probe ist der kleinste im Vergleich zu allen anderen Materialien. Dafür besitzt aber PP-Probe die höchste Probensteifigkeit. Der nichtlineare Bereich der PP-Probe ist dahingegen der größte und ist fast doppelt so groß wie die nichtlinearen Bereiche der anderen im Drei-Punkt-Biegeversuch getesteten Materialien. Daher lässt sich auf ein gut verformbares Material schließen. Der lineare Dehnungsbereich der LFT-Probe ist etwas größer als bei der PP-Probe. Die LFT-Probe hält im linearen Bereich aber nur weniger Kraft aus als die PP-Probe. Die LFD-Probe hat den größten linearen Dehnungsbereich der drei Proben, dafür aber auch den kleinsten nichtlinearen Bereich.
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B) Hector Project
In 2016, the wbk organized within the framework of the IRTG a student project in cooperation with the Hector School: "Spanende Bearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ". The aim of the project was to investigate the influence of workpiece clamping on the damage to a carbon fiber-reinforced plastic workpiece after the drilling process and to find an optimum clamping distance at which the damage is minimal. The students were supervised by the wbk doctoral students and prepared a final report.
