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© 2012 Applied Auxetics GmbH smartTex-Workshop 17.10.2012

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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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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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hEZ

bEZ

tc

hEZ

b l1

bEZ

tc


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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


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 %


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

[email protected] [email protected] [email protected]

Interesse? Sprechen Sie uns an!

Date post:	14-Aug-2019
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