Gunter Kullmer

A new criterion for the prediction of crack development in multiaxially loaded structures

In many cases the lifetime of technical structures and components is depending on the behaviour of cracks. Due to the complex geometry and loading situation in real-world structures cracks are often subjected to a superposition of normal, in-plane and out-of-plane loading. In this paper a new criterion for 3D crack growth under multiaxial loading, that means superposition of the fracture modes Mode I, II and III, is described. The criterion allows the prediction of three-dimensional crack surfaces advancing from arbitrary 3D crack fronts with the help of the two deflection angles φ0 and ψ0. The underlying theory for the development of this new criterion is described in detail.

Finite-Elemente-Simulation im Vergleich zur Realität

Kurzfassung Im vorliegenden Beitrag werden spannungsanalytische und bruchmechanische Untersuchungen zum ICE-Radreifenbruch beschrieben. Das Risswachstum beim ICE-Rad begann am Innenrand des Radreifens. Der Riss wuchs zunächst mehr in die Tiefe des Radreifens, um sich später in halbelliptischer Form auszubreiten. Erst als der Radreifenquerschnitt zu etwa 80% durch das Risswachstum geschädigt war, trat der Bruch des Radreifens ein. Die Bruchfläche weist Farbeffekte und Bruchflächenstrukturen auf, die auf ein sehr diskontinuierliches Risswachstum hindeuten. Es wird aufgezeigt, dass sich das Risswachstum mittels Finite-Elemente-Simulationen und experimenteller Untersuchungen erklären lässt.

Fatigue crack paths under the influence of changes in stiffness

An important topic of the Collaborative Research Centre TRR 30 of the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) is the crack growth behaviour in graded materials. In addition, the growth of cracks in the neighbourhood of regions and through regions with different material properties belongs under this topic. Due to the different material properties, regions with differing stiffness compared to the base material may arise. Regions with differing stiffness also arise from ribs, grooves or boreholes. Since secure findings on the propagation behaviour of fatigue cracks are essential for the evaluation of the safety of components and structures, the growth of cracks near changes in stiffness has to be considered, too. Depending on the way a crack penetrates the zone of influence of such a change in stiffness and depending on whether this region is more compliant or stiffer than the surrounding area the crack may grow towards or away from this region. Both cases result in curved crack paths that cannot be explained only by the global loading situation. To evaluate the influence of regions with differing stiffness on the path of fatigue cracks the paths and the stress intensity factors of cracks growing near and through regions with differing stiffness are numerically determined with the program system ADAPCRACK3D. Therefore, arrangements of changes in stiffness modelled as material inclusions with stiffness properties different from the base material or modelled as ribs and grooves are systematically varied to develop basic conclusions about the crack growth behaviour near and through changes in stiffness.

Ermittlung der Versagensursache von Verschlusskörpern einer Innenhochdruckumformmaschine

Kurzfassung Bei zwei Verschlusskörpervarianten einer Innenhochdruckum- formmaschine, die aus Stahlguss gefertigt waren, sind während des Betriebs im Kopfbereich Risse entstanden. Zur Ermittlung der Ursache für die Rissentstehung werden die Bruchflächen begutachtet und Finite-Elemente-Spannungsanalysen durchgeführt. Die Schadensanalyse erfolgt sowohl aus Sicht der klassischen Festigkeitslehre als auch der Bruchmechanik. Es zeigt sich, dass trotz teilweise hoher Spannungskonzentrationen Gussfehler und Reparaturschweißungen von Gussfehlern wie Anrisse wirken und für das Versagen der Verschlusskörper verantwortlich sind.

Medizintechnische Anwendungen der additiven Fertigung

Aufgrund des hohen erreichbaren Individualisierungsgrads ist die additive Fertigung, d. h. die materialzufuhrende, schichtweise auf 3D-CAD-Daten basierende Herstellung von Bauteilen, geradezu pradestiniert fur medizintechnische Anwendungen. Auf diese Weise lassen sich patientenspezifische, geometrisch komplexe und an die gegebene Beanspruchungssituation angepasste Medizinprodukte (wie z. B. Orthesen, Prothesen und Implantate sowie medizinische Hilfsmittel) fertigen. Der vorliegende Beitrag gibt einen Uberblick uber aktuelle Anwendungen der additiven Fertigung in der Medizintechnik und diskutiert die mit diesem innovativen Fertigungsverfahren fur den medizintechnischen Bereich verbundenen Potenziale. Um Medizinprodukte lebensdauerorientiert, beanspruchungsgerecht und patientenspezifisch unter Berucksichtigung werkstoff- und prozessseitiger Einflussfaktoren sowie der identifizierten Potenziale der additiven Fertigung zu gestalten, mussen verschiedene ingenieurwissenschaftliche und medizinische Fachbereiche interdisziplinar zusammenwirken. Daher werden auch die Vorgehensweise zur Entwicklung und Herstellung additiv gefertigter Medizinprodukte sowie die dafur erforderlichen Fachdisziplinen betrachtet. Die grundlegende Vorgehensweise wird daruber hinaus fur verschiedene medizinische Anwendungsbeispiele verdeutlicht. Im Fokus steht dabei die Gestaltung individueller Esshilfen fur korperbehinderte Personen, um ihnen ein selbststandiges und selbstbestimmtes Essen zu ermoglichen. Daruber hinaus werden numerische Rissausbreitungssimulationen einer Huftendoprothese vorgestellt, um den Einfluss thermischer Nachbehandlungsverfahren auf das bruchmechanische Materialverhalten zu diskutieren. Des Weiteren werden verschiedene Masnahmen zur Strukturoptimierung einer Kurzschaft-Huftendoprothese und einer patientenspezifischen Fusorthese erlautert.

Darstellung der Konstruktion eines FE-Modells am Beispiel des Kniegelenkes - Designing an FE Model as Exemplified by the Knee Joint

For the scientific investigation of the problems encountered in joint arthoplasty, routine use is made of clinical follow-up of patient, studies on cadaver specimens, and simulation with the aid of technical or mathematical models. An appropriate method for the stress analysis of the musculoskeletal system is the finite element method (FE method), since it is free from any restrictions in terms of the geomtry of the structure to be studied. The developemtn of a finite element model of the knee joint on the basis of computer tomography data is described. Using this method, intra-osseous stress distribution within the bones, contact stresses and the articulating surfaces between bones and implants for various boundary conditions can be calculated. For the development of such an FE model, the exterior and interior structure/geometry of the bones and implants, and the muscular forces involved, must be known. With this in mind, a method enabling the determination of surface coordinates of the knee joint from CT scans is presented. Using the special CAD-FE program I-DEASTM, plane slices and then the 3D CAD model are generated from these coordinates. After appropriate processing the CAD model can be meshed with tetrahedral or brick elements.

Beeinflussung des Risswachstums durch Kerben in additiv gefertigten Strukturen

Im Rahmen dieses Beitrags werden unterschiedliche Masnahmen zur Beeinflussung des Risswachstums durch Kerben in rissbehafteten, additiv gefertigten Bauteilen und Strukturen vorgestellt. Neben zahlreichen Einflussen auf das Risswachstumsverhalten werden anhand von Rissverzogerungskerben Moglichkeiten aufgezeigt, die Risswachstumspfade und die damit einhergehende Lebensdauer zu manipulieren. Hierbei werden an Kompaktzugproben sowohl mit kreisrunden als auch mit rautenformigen Kerben numerische und experimentelle Analysen durchgefuhrt. Die experimentellen Untersuchungen bestatigen die numerisch vorhergesagten Rissverlaufe. Daruber hinaus wird die Lebensdauer in Abhangigkeit der Risslange fur die unterschiedlichen Probenvarianten experimentell ermittelt und gegenubergestellt. Der Vergleich zeigt, dass die Kerben im Risspfad die Lebensdauer beeinflussen und dass durch den Einsatz von Rissstoppkerben die Einsatzdauer signifikant verlangert wird.

Entwicklung von Fahrradtretkurbelsystemen mittels additiver Fertigung

Im Rahmen dieses Beitrags werden eine uberlange Tretkurbel und, zur besseren Vergleichbarkeit der Ausnutzung des Leichtbaupotentials, eine Tretkurbel mit Standardlange festigkeits- und leichtbauoptimiert konstruiert und ausgelegt. Daruber hinaus wird, zur weiteren Reduktion der Fahrradgesamtmasse und um ein vollstandiges Fahrradtretkurbelsystem zu erhalten, abschliesend eine Funfstern-Tretkurbel entwickelt. Die Konstruktion und Auslegung erfolgt fur alle drei Bauteile nach der Norm DIN EN ISO 4210 unter Berucksichtigung der verfahrensspezifischen Vorteile des selektiven Laserstrahlschmelzens. Dabei werden verschiedene Querschnittsgeometrien fur die uberlange Tretkurbel entwickelt und im Nachgang mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch simuliert und analysiert. Mittels der Analyse werden der Festigkeits- und Dauerfestigkeitsnachweis durchgefuhrt Als Werkstoff wird die hochfeste Titanaluminiumlegierung TiAl6V4 verwendet, die hohe mechanische Kennwerte bei gleichzeitig mittlerer Dichte aufweist.

Numerische und mechanische Untersuchung additiv gefertigter TiAl6V4 Gitterstrukturen

Generative Fertigungsverfahren wie das selektive Laserschmelzen (SLM) eignen sich, aufgrund ihrer hohen geometrischen Designfreiheit, hervorragend fur die Herstellung komplexer, zellularer Leichtbaustrukturen. In diesem Zusammenhang spielt die gezielte konstruktive Anpassung an die Belastungsbedingungen eine entscheidende Rolle. Fur die Nutzung dieses Potentials ist das Verstandnis der charakteristischen mechanischen Eigenschaften dieser Gitterstrukturen von entscheidender Bedeutung. Im Fokus der experimentellen und numerischen Untersuchungen standen zwei unterschiedliche Gitterstruktur-Typen aus dem Werkstoff Ti-Al6V4. Diese wurden unter monotoner, einachsiger Belastung getestet. Die digitale Bildkorrelation (DIC) ermoglichte gleichzeitig die detaillierte Analyse der lokalen Dehnungsverteilung wahrend der Verformung. Mikrostrukturelle Eigenschaften und die Gitterqualitat wurden mit Hilfe von „Electron backscatter diffraction“ (EBSD) Analysen sowie rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen analysiert. Zudem erfolgte die Entwicklung eines Finite-Elemente- Modells, unter der Anforderung eines moglichst geringen Rechenaufwandes, durch die ausschliesliche Verwendung von Balkenelementen. Der Vergleich mit den Dehnungswerten aus der DIC-Analyse ermoglichte Ruckschlusse uber die Genauigkeit des Modells. Die Ergebnisse zeigen die charakteristischen Eigenschaften und Unterschiede zwischen den beiden untersuchten Gitterstrukturen sowie die typischen Versagensmechanismen unter der Belastung.

Optimierung der Werkstoffperformance lasergeschmolzener metallischer Werkstoffe

Der gezielte Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens „Selektives Laserschmelzen SLM“ zur Herstellung von Bauteilen und Strukturen kann herausragende Vorteile, wie z. B. Reduzierung der Herstellkosten und Verkurzung der Produkteinfuhrungszeit, mit sich bringen. Ein wirtschaftlicher Einsatz dieser Bauteile wird jedoch in einem entscheidenden Mase durch die erreichbaren Materialkennwerte beeinflusst. Daher sind Kenntnisse uber die Materialkennwerte, Materialkennkurven sowie das Materialverhalten lasergeschmolzener Werkstoffe zwingend erforderlich.