Kompression eines Aluminiumschaums

Experiment im In-situ CT und Simulation in GeoDict® im Vergleich

Die Deformation von Schäumen unter mechanischer Belastung ist ein komplexer Vorgang, der durch verschiedene Verformungsarten parallel beeinflusst wird. Dabei spielen z.B. plastische Verformung und das Knicken von Schaumstegen eine wichtige Rolle. Die umfassende Charakterisierung der Verformung eines Schaumes ist mit Hilfe klassischer Druckversuche daher nicht möglich.

Neue Chancen bietet hier die Technologie der In-situ Computertomographie (CT). So kann die Verformung im CT durchgeführt und mit einer Reihe aufeinanderfolgender Scans beobachtet werden. Diese Verfahren bietet spannende neue Einblicke in das Verhalten zellulärere Materialien.

Wir haben uns zusammen mit unserem Partner Tescan der Herausforderung gestellt, einen Druckversuch an einem offenzelligen Aluminiumschaum in einem In-situ CT durchzuführen und im Anschluss simulativ nachzustellen. Dabei sind wir in folgenden Schritten vorgegangen:

  • In-situ CT zweier Schaumproben (Tescan)
  • Analyse des Scans mit GeoDict (Math2Market)
  • Aufbau eines Simulationsmodels anhand des erstens Scans mit GeoDict (Math2Market)
  • Verifikation des Simulationsmodels am zweiten Scan mit GeoDict (Math2Market)

 

Was war das Ergebnis?

  • Ein In-situ CT-Scan bietet faszinierende Einblicke in die Verformung von Schäumen.
  • Die Verformung des Schaums wird durch die Simulation in GeoDict sehr gut wiedergegeben.
  • Versuche und Simulation konkurrieren nicht, sondern ergänzen sich perfekt.
  • Die Zusammenarbeit in einem hochmotivierten Experten-Team mach immer wieder Spaß.

Was bedeudet das für unsere Kunden?

  • Alle Erkenntnisse werden für die Weiterentwicklung von GeoDict genutzt.
  • Sie können in GeoDict die mechanischen Eigenschaften ihrer Schäume berechnen.
  • Auch Sie können mit unseren Experten zusammenarbeiten und sich mit GeoDict ganz neuen Herausforderungen stellen.

Lesen Sie mehr zu GeoDict-Lösungen für:

Autoren und Anwendungsspezialisten

Dr.-Ing. Martina Hümbert

Senior Business Manager
for Digital Materials R&D

Andreas Grießer, M.Sc.

Senior Business Manager
for Image Processing and Image Analysis

Dipl.-Math. Sebastian Rief

Application Engineer

Teil 1: Bildverarbeitung und Bildanalyse

Vorgehensweise

Zunächst wurden die Scans in GeoDict importiert und segmentiert, und es wurden mit Hilfe des Video-Dialogs in GeoDict Animationen der Verformung erstellt.

Der verwendete offenzellige Schaum wurde von Recemat hergestellt und besteht aus Aluminium 99,7. Er hat einen geschätzten Porendurchmesser von 2,5 mm und eine Porosität von 95 %.

Die Poren wurden im GeoDict-Modul PoroDict mit einem Watershed-Algorithmus identifiziert. Diese Identifikation funktioniert sehr gut, obwohl die Zellen der Schaumproben recht offen sind. Nur Poren, die sich nicht mit der Domänengrenze schneiden, wurden analysiert, da die Poren, die an der Grenze abgeschnitten werden, die Ergebnisse verfälschen.


Video des In-situ CT

Über den Verlauf des Druckversuchs wurden 90 Einzelscans erstellt. Diese wurden in GeoDict automatisch segmentiert. Daraus kann dann ein Video der Verformung des Schaums erstellt werden.

Kompression der Poren in Scan 2

Teil 2: Vergleich von Versuch und Simulation

Vorgehensweise

Die mechanischen Simulationen wurden basierend auf den Scans der unkomprimierten Proben durchgeführt. ElastoDict verwendet den FFT-basierten Voxel-Löser FeelMath. Das bedeutet, dass die mechanische Simulation direkt auf dem Scan ausgeführt werden kann, ohne dass eine Netzgenerierung erforderlich ist. Darüber hinaus ermöglicht dieser Solver die Simulation von großen Kompressionen von Schäumen, was bei standardmäßigen FE-basierten Solvern oft eine Herausforderung darstellt.

Der Schaum besteht aus Al 99,7 und die Simulation von Scan 1 zeigte, dass die mechanischen Eigenschaften, die der Wärmebehandlung H112 entsprechen, am besten geeignet sind. So liegt der E-Modul bei 70 GPa, die Streckgrenze bei 23 MPa und die Bruchdehnung bei 23%. Diese Eigenschaften wurden durch ein bilineares Verfestigungsgesetz dargestellt und dann auch für die Simulation von Scan 2 verwendet.

Für die Simulation wurde eine Kompression von 35 % vorgegeben und symmetrischen Randbedingungen festgelegt. Die tangentialen Grenzen wurden als spannungsfrei angenommen. Die Proben waren nur geringfügig größer als der gescannte Bereich, so dass davon ausgegangen werden kann, dass sich die Probe während der Kompression zu den Seiten ausdehnen konnte.

Vergleich der Spannungs-Dehnungs-Diagramme

Die ermittelte Anfangssteifigkeit unterscheidet sich zwischen den Simulationen (in rot) und den Experimenten (in grau). Die Steifigkeit der Simulation stimmt gut mit Literaturwerten überein, so dass der Grund höchstwahrscheinlich im Versuchsaufbau zu finden ist. Zu Beginn der Kompression setzt sich der Schaum. Außerdem wurde die Verschiebung über den Traversenweg gemessen, was nicht präzise genug ist, um eine genaue Dehnung am Anfang der Kurve zu erhalten. Von diesem Unterschied abgesehen, stimmen die Spannungs-Dehnungs-Kurven des Experiments und der Simulation gut überein.


Vergleich der Verformungen in Versuch und Simulation anhand von Scan 1

Vergleich der Verformungen in Versuch und Simulation anhand von Scan 2

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Danksagung

Wir danken unseren Partnern bei Tescan, Luke Hunter und Wesley de Boever, für die hervorragende Zusammenarbeit und die Bereitstellung der µCT-Scans.