Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth
Am Fraunhofer-Zentrum HTL werden Bauteile aus Keramiken, Metallen oder Verbundwerkstoffen mittels Computersimulation ausgelegt. Zur Spannungs- und Verformungsberechnung für das Bauteildesign sind kommerziell verfügbare Finite-Elemente (FE) -Programme wie z.B. ANSYS und COMSOL vorhanden. Das HTL erarbeitet spannungsarme Konstruktionen durch die Simulation von mechanischen und thermischen Lastfällen und schlägt Bauteildesigns für Prototypen vor. Bei der Bauteilauslegung werden die Richtlinien zur keramikgerechten Konstruktion eingehalten. Außerdem werden bei Bedarf Designkriterien für den 3D-Druck berücksichtigt.
Finite-Elemente-Analysen zur Bauteilauslegung
Die Simulation des Einsatzverhaltens umfasst Belastungen durch statische Temperaturgradienten oder Thermoschock bzw. Temperaturwechsel sowie alle Arten von mechanischen Lasten und Kombinationen aus thermischen und mechanischen Lastfällen. Dabei können im Rahmen der FE-Analysen auch die Materialermüdung berücksichtigt und Lebensdauerprognosen erstellt werden. Die benötigten Materialdaten werden, falls noch nicht bekannt, durch mechanische (vgl. Werkstoffprüfung) und thermische (vgl. ThermoOptische Messverfahren) Charakterisierungsmethoden bestimmt. Bei der Bauteilauslegung können auch anisotrope Materialeigenschaften berücksichtigt werden. Auf der Basis von Finite-Elemente-Analysen werden Schwachpunkte des Bauteils erkannt und eine für den spezifischen Bauteileinsatz optimale Geometrie identifiziert.
Bauteildesign für Hybridbauteile
Keramische und metallische Bauteile können mit unterschiedlichen Fügeverfahren kombiniert werden, um die spezifischen Vorteile beider Materialklassen zu nutzen (Publikation: Joining of Ceramic and Metal parts). Hierbei berücksichtigt die Bauteilauslegung das unterschiedlich starke Ausdehnungsverhalten und die besonderen Anforderungen einer lastgerechten Verbindungstechnik. Mittels Computertomografie können bereits vorhandene Bauteile exakt vermessen und diese Daten für die Berechnung und Neukonstruktion des Bauteildesigns verwendet werden.