Fertigungsanlage für den 3D-Druck von Metallen mit Bauteilabmessungen von bis zu 400 x 400 x 400 Kubikmillimetern und einer Laserleistung von einem Kilowatt. Mit diesen Kennwerten stellt die Anlage eine der derzeit größten und leistungsfähigsten kommerziell verfügbaren Anlagen für den Lasersinterprozess dar und ist im Forschungsbereich in dieser Größe ein Unikat.
Laborbeschleuniger für Impaktgeschwindigkeiten von 10 m/s bis 10 000 m/s
Erfassung, Beschreibung und Modellbildung für die bei Impakt, Stoßwellen- und Lasereffekten zu beobachtenden physikalischen Vorgänge.
Für die Untersuchung der Phänomene beim Aufprall oder dem Einschlag eines Körpers auf die Oberfläche eines in der Regel größeren Körpers deckt das Fraunhofer EMI mit seinen Beschleunigungsanlagen in einzigartiger Weise einen sehr weiten Parameterbereich von Impaktormassen und Impaktgeschwindigkeiten ab. Je nach Aufgabe kann die passende Versuchsanlage gewählt werden oder es können verschiedene Versuchsanlagen für eine Fragestellung in komplementärer Weise genutzt werden.
Schematischer Aufbau eines Laborbeschleunigers
Am Fraunhofer EMI werden Impaktvorgänge unter Laborbedingungen untersucht. Der schematische Aufbau des Beschleunigers mit angschlossener hochinstrumentierter Impaktkammer ist in der nebenstehenden Abbildung dargestellt. Die Beobachtung von kurzzeitdynamischen Vorgängen erfordert eine sehr hohe Zeitauflösung. Als bildgebende Verfahren werden Röntgenblitztechnik und Hochgeschwindigkeitskameras bzw. -videokameras verwendet. Um auch besonders hohe Impaktgeschwindigkeiten erreichen zu können, werden zweistufige Laborbeschleuniger eingesetzt. Hierbei wird die chemische Energie eines Treibladungspulvers genutzt, um zunächst ein Gas mit sehr geringem Molekülgewicht, wie Wasserstoff oder Helium, mit Hilfe eines im Pumprohr laufenden Kolbens zu komprimieren und schließlich in dem Hochdruckteil einen sehr hohen Druck in der Größenordnung von 10 000 bar aufzubauen. Bei diesem dynamischen Prozess birst eine Membran und die Anströmung des Projektilbodens setzt ein. Aufgrund der sehr hohen erreichbaren Strömungsgeschwindigkeit des leichten Gases werden hohe Projektilgeschwindigkeiten erreicht, welche die Orbitalgeschwindigkeit erdnaher Satelliten im Weltraum erreichen können.
Ablauf eines Impaktexperiments
Für die Durchführung von Impaktversuchen unter Laborbedingungen setzt das Fraunhofer EMI Laborbeschleuniger ein. Mit einstufigen Beschleunigern können Impaktgeschwindigkeiten bis zu 3 km/s erreicht werden. Insbesondere für sehr hohe Geschwindigkeiten über 3 km/s werden am Fraunhofer EMI zweistufige Beschleuniger eingesetzt. In der Abbildung ist dargestellt, wie für eine derartige Anlage in der ersten Stufe die chemische Energie eines Treibladungspulvers in einem sogenannten Pumprohr einen Kolben beschleunigt, um ein Gas mit sehr geringem Molekülgewicht, wie Wasserstoff oder Helium, unter einen sehr hohen Druck zu setzen. Der höchste Druck wird am Schluss der Kolbenbewegung erzielt, wobei der Kolben im sogenannten Abfangteil durch eine Laufdurchmesser-Verjüngung abgestoppt wird. Am Ende dieses Bereichs wird von dem aufgebauten Druck eine Membran durchbrochen und die Bodenfläche des zu beschleunigenden Projektils wird angeströmt. In der Animation wird demonstriert, wie eine kleine Aluminiumkugel auf diese Weise beschleunigt wird, ihre Geschwindigkeit bestimmt und dann der Impakt auf ein geneigtes Ziel untersucht wird.
Visualisiertechniken für transiente Vorgänge: Hochgeschwindigkeits-Fotografie und -Videografie, Schlieren-Fotografie; Röntgenblitz-Fotografie, -Tomografie und -Kinematografie
Anwendung und Entwicklung für hochdynamische, transiente Vorgänge und raue Umgebungen; Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Stoßbelastung und Druck; EMV-Untersuchungen
Diagnostikentwicklung wie optische und Laser-basierte Verfahren zur Temperatur und Geschwindigkeit von (Verbrennungs-)Gasen und hochdynamischen Oberflächen (VISAR und PDV) Sensorik- und Elektronikentwicklung für sehr schnelle Vorgänge oder robuste Umgebungen.
Das Fraunhofer EMI bietet Herstellern, Planern, Versicherungen und Eigentümern von Bauwerken der kritischen Infrastruktur Beratungs- und Forschungsdienstleistungen zur Bewertung von Bauwerken und ihrer Komponenten gegen Druckstoßbelastungen an. Stoßwellenbelastungen infolge von Sprengstoff- und Gasexplosionen werden durch die Stoßrohranlage BlastStar (Abbildung 1) simuliert. Die Versuche werden für Sicherheitssonderverglasungen nach gültigen Normen, die das Prüfverfahren und die Klassifizierung beschreiben, durchgeführt. Dieses Verfahren ist, ohne Klassifizierung, auch für andere Bauteile mit anderen Materialien anwendbar.
Leistungsumfang:
Druckstoßwellen sind durch einen hohen Spitzenüberdruck (pmax), die positive Druckdauer (t+) und den positiven spezifischen Impuls (i+) charakterisiert. Einen idealisierten Druck-Zeit-Verlauf, der in der EN13123-1 definiert ist, zeigt Abbildung 3.
Das Geschäftsfeld Sicherheit und Resilienz am Ernst-Mach-Institut, EMI, bietet Testverfahren, die das mechanische und thermische Verhalten von bautechnischen und geologischen Werkstoffen unter außergewöhnlicher Belastungen quantifizieren, bewerten und zur Zertifizierung vorbereiteten. Die Belastungen reichen dabei von quasistatischer bis hin zu hochdynamischer Belastung.
Das Fraunhofer EMI bietet Herstellern, Planern, Versicherungen und Eigentümern von Bauwerken der kritischen Infrastruktur Beratungs- und Forschungsdienstleistungen zur Bewertung von Bauwerken und ihrer Komponenten gegen Druckstoßbelastungen an. Stoßwellenbelastungen infolge von Sprengstoff- und Gasexplosionen werden durch die Stoßrohranlage BlastStar (Abbildung 1) simuliert. Die Versuche werden für Sicherheitssonderverglasungen nach gültigen Normen, die das Prüfverfahren und die Klassifizierung beschreiben, durchgeführt. Dieses Verfahren ist, ohne Klassifizierung, auch für andere Bauteile mit anderen Materialien anwendbar.
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Das Funktionsprinzip der Versuchsanlage BlastStar am EMI.
Am EMI BlastStar kann eine Druckwelle erzeugt werden, die exakt der Druckwelle entspricht, die bei einer Explosion entsteht.
Dazu wird vor dem Versuch der Hochdruckteil mit Luft befüllt. Er ist durch eine Membran vom Stoßrohr getrennt. Wenn der Druck hoch genug ist, öffnet die Membran kontrolliert und Fragment-frei. Durch die spezielle Form des Stoßrohres belastet die Druckwelle den Prüfkörper am Ende des Rohres an jedem Ort zu jedem Zeitpunkt identisch, es entsteht eine sogenannte ebene Belastung.
Diese Belastung besteht aus einer Druck- und einer Sogphase, wie sie für Explosionen typisch ist.
Leistungsumfang:
Druckstoßwellen sind durch einen hohen Spitzenüberdruck (pmax), die positive Druckdauer (t+) und den positiven spezifischen Impuls (i+) charakterisiert. Einen idealisierten Druck-Zeit-Verlauf, der in der EN13123-1 definiert ist, zeigt Abbildung 3.
Vorteile des mit Druckluft betriebenen Stoßrohrs BlastStar:
Ergebnisse der experimentellen Analyse:
Kommerzielle Finite-Elemente-Codes
Eigene Simulationssoftware
Optimierung
Datenanalyse und Auswertung
Ausstattung:
Ausstattung:
Technologien zur Entwicklung wissenschaftlicher Nutzlasten und Kleinstsatelliten
Normklimatische Prüflabore ausgestattet mit
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KURZZEITDYNAMIK, ERNST-MACH-INSTITUT, EMI