Technische Universität Dresden
Metamaterialien erreichen mechanische Eigenschaften, die mit konventionellen Materialien nicht realisierbar sind. Ihre Eigenschaften ergeben sich hauptsächlich aus ihrer meso- und makroskopischen Strukturanordnung und weniger durch die Mikrostruktur des Werkstoffs. Die in der Forschung bereits etablierten Gitterstrukturen zeigen häufig Spannungskonzentrationen an Stegknotenpunkten und sind aufgrund ihrer Periodizität stark defektanfällig. Spinodoide Metamaterialien, deren Morphologien auf der spinodalen Entmischung basieren, sind in diesem Kontext als Alternative sehr attraktiv, da sie aufgrund ihrer aperiodischen Struktur eine hohe Defekttoleranz aufweisen. Aufgrund ihrer komplexen Geometrie und der damit erschwerten Fertigung ist das mechanische Verhalten metallischer spinodoider Strukturen auf makroskopischer Längenskala weitestgehend unerforscht. Diese Arbeit charakterisiert daher das mechanische Verhalten spinodoider Metamaterialien, die mittels Laserstrahlschmelzens hergestellt wurden. Diese werden hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihres Verformungsverhaltens im statischen Druckversuch den sogenannten Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) Strukturen vom Typ Gyroid und Schwarz-P gegenübergestellt. Die relative Dichte der Metamaterialien wird dabei von 30 % bis 50 % variiert und im Gibson-Ashby Diagramm eingeordnet. Das Verformungsverhalten und die dabei auftretenden Dehnungsverteilungen werden zusätzlich mittels der digitalen Bildkorrelation charakterisiert.
Die spinodoiden Metamaterialien erreichen bei allen relativen Dichten die höchste Druckfestigkeit bei gleichzeitig moderater Energieabsorption, die mit der Gyroid Struktur vergleichbar ist. Darüber hinaus besitzen sie ein stark anisotropes Verformungsverhalten unter Versagen durch lokales Knicken, welches auf ihre aperiodische Morphologie zurückzuführen ist. Die Einordnung der drei Metamaterialien im Gibson-Ashby Diagramm zeigt Abweichungen vom idealisierten mechanischen Verhalten von Metamaterialien.
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