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Institute of Structural Lightweight Design
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Lange Nacht der Forschung

Irgendwann wird alles kaputt – warum eigentlich?

Haben Sie sich auch schon oft gefragt, warum andauernd irgendwelche Teile am Auto oder anderswo kaputt gehen? Wir zeigen's Ihnen! Erfahren Sie, wie man die Festigkeit hochoptimierter Leichtbauteile gewährleistet und warum Bauteile, die irgendwann brechen, trotzdem sicher sein können.

Brennende Fragen des Leichtbaus anschaulich gemacht:

Wieviel hält mein Material maximal?

Die Gestaltung mechanischer Bauteile erfordert es die statische Festigkeit des verwendeten Materials zu kennen. Diese Materialeigenschaft ist jene Belastung, die das Material maximal erträgt bevor es bricht. Nur in den wenigsten Fällen will man das Versagen eines Bauteils gezielt herbeiführen – eine Ausnahme bildet die zerstörende Werkstoffprüfung.

Die Festigkeit eines Materials ermittelt man typischerweise mit Zugversuchen an kleinen länglichen Proben, sogenannten Coupons. Die ermittelten Materialkennwerte werden gemeinsam mit einer Bauteilspannungsanalyse (z.B. mittels Finite Elemente Methode) zur Bauteilfestigkeitsbewertung herangezogen.

Zerreißen Sie mit uns einige Proben, lassen Sie sich von der Festigkeit alltäglicher Materialien wie „Papier“ überraschen und erfahren Sie warum die Materialfestigkeit alleine oft nicht ausreicht, um die Bruchlast ganzer Bauteile vorherzusagen.

 

Zugpruefstand_elektrisch

Wie lange hält mein Material?

Im Betrieb sind Leichtbauteile zumeist vielen kleineren dynamischen Lasten ausgesetzt. Diese zyklischen Lasten schädigen bzw. ermüden das Material und können so auch zum Bruch führen, ohne dass die statische Festigkeit erreicht wurde.

Für die Gestaltung eines Bauteils mit ausreichender Zeit- oder Dauerfestigkeit verwendet man Ermüdungsfestigkeitsschaubilder des verwendeten Materials. Diese werden an Material-Coupons mittels zyklischer Versuche auf unterschiedlichen Lastniveaus ermittelt. Die Analyse auf Bauteilebene erfolgt durch Vergleich der im Betrieb auftretenden Spannungen mit dem Ermüdungsfestigkeitsschaubilder.

Biegen Sie Drahtstücke, bis sie brechen, und erfahren Sie, wie Sie die Lebensdauer von Bauteilen vorhersagen können.

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Was bedeutet Stabilität im Leichtbau?

In Leichtbauanwendungen, wie z.B. im Flugzeugbau, werden häufig schlanke und dünnwandige Bauteile aus hochfesten Materialien wie Stahl, Aluminiumlegierungen und faserverstärkten Kunststoffen verwendet. Unter Druckbelastung können sich aber dünnwandige Bauteile durch Ausweichen der Last entziehen - noch bevor die Bruchspannung des Materials überhaupt erreicht wird. Man spricht vom Verlust der Stabilität des Bauteils.

Bei der Bauteilgestaltung muss daher dieses mögliche Knicken von Stäben oder Beulen von Platten berücksichtigt werden.

Zerquetschen Sie eine Getränkedose, knicken Sie einen Stab und erfahren Sie, was es bedeutet, wenn ein Bauteil instabil wird.

Beulen von Schalen

Wie beweise ich, dass ein Bauteil den Anforderungen standhält?

Leichtbauteile werden mit modernsten Gestaltungsmethoden, wie etwa der Finite Elemente Methode, im höchsten Maße optimiert. Die Materialparameter dafür kommen zumeist nur aus einfachen Coupontests. Aufgrund der extremen Optimierung können kleine Fehler in der Gestaltung katastrophale Folgen haben.

Leichtbauteile müssen daher die Erfüllung ihrer mechanischen Anforderungen in aufwendigen Belastungstests unter Beweis stellen, bevor sie in Betrieb gehen dürfen.

Sehen Sie bei uns live den „Full-Scale“ Belastungstest eines 7 Meter langen Helikopter-Hauptrotorblatts.

Rotorblatt_Weitwinkel

Wie geht Sicherheit trotz Unsicherheiten?

Schäden an mechanischen Strukturen können eigentlich nie ausgeschlossen werden. Besonders hochoptimierte Leichtbauteile sind anfällig gegenüber Fertigungsdefekten, unerwarteten Überlasten oder Schlagschäden. Um die Sicherheit dieser empfindlichen Bauteilen trotz dieser Unsicherheiten zu gewährleisten, sind regelmäßige Inspektionen geplant.

Ein moderner Sicherheitsansatz ist dabei, die Bauteile kontinuierlich und während des Betriebs mittels integrierten Sensoren zu überwachen. Speziell entwickelte Sensornetzwerke messen dabei die Ausbreitung von Ultraschallwellen im Bauteil, andere überwachen die elektrische Leitfähigkeit von speziellen Bauteilbeschichtungen oder die des leitfähigen Bauteils selbst. Dabei gilt es nicht nur eine mögliche Schädigungen zu detektieren, sondern diese auch zu lokalisieren und deren Ausmaß zu bewerten.

Bohren Sie Löcher in unsere Platten oder lassen Sie eine Kugel darauf fallen und erfahren Sie, wie wir mit integrierten Sensoren diese Schäden erkennen und finden.

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