Forschungsinfrastruktur

Geschäftsfeld Verteidigung

Lasersinteranlage zur generativen Fertigung großer Metallbauteile am Fraunhofer EMI

© Fraunhofer EMI

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.

Beschleunigeranlagen für Impaktversuche

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.

Prinzipieller Aufbau der Beschleunigungsanlagen.
Funktionsprinzip einer Beschleunigungsanlage.

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. 

  • ANSYS Autodyn
  • LS-DYNA
  • ABAQUS
  • SOFiSTik
  • APOLLO (am EMI entwickelte Berechnungssoftware)
  • SOPHIA (am EMI entwickelte Berechnungssoftware)
  • MATLAB Simulink
  • COMSOL
  • Hazard Analysis – FTA – FMEA
  • © Fraunhofer EMI
    Abb. 1 Stoßrohranlage BlastStar.

    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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    Leistungsspektrum des EMI-Stoßrohrs, aufgetragen über die Blastparameter reflektierter Druck und positiver spezifischer Impuls.
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    Idealisierter Druck-Zeit-Verlauf, wie dieser durch Stoßrohrversuche erzeugt wird, nach DIN EN13123-1.
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    Auswertung eines Stoßrohrexperiments – Druck-Zeit-Signale von zwei unabhängigen Messgebern.

    Leistungsumfang:

    • Durchführung von genormten Versuchen zur Klassifizierung der Sprengwirkungshemmung bei Sicherheitsverglasungen (Verbundsicherheitsglas, Sicherheitsfenster, Sicherheitstüren) nach:

      – EN13541:2012 »Glas im Bauwesen – Sicherheitssonderverglasung – Prüfverfahren und Klasseneinteilung des Widerstandes gegen Sprengwirkung«
       
      – EN13123-1:2001 »Fenster, Türen und Abschlüsse – Sprengwirkungshemmung – Anforderungen und Klassifizierung – Teil 1: Stoßrohr«
       
      – EN13124-1:2001 »Fenster, Türen und Abschlüsse – Sprengwirkungshemmung – Prüfverfahren – Teil 1: Stoßrohr«
       
      – ISO16934:2007 »Glass in Building, Explosion-resistant security glazing – Test and classification by shock-tube loading«
       
      – Und anderen international geltenden Normen (GSA, ASTM F 1642-04)

    • Analyse der Sprengwirkungshemmung mit variablen Belastungsparametern pmax, i+ nach Kundenspezifikation
    • Analyse des Widerstands gegen Blast infolge von Gasexplosionen mit Belastungsparametern nach Kundenspezifikation
    • Analyse des Widerstands gegen Blast von baulich relevanten Strukturen aus Beton, Mauerwerk, Glas und Leichtbaumaterialien
    • Analyse des Widerstands gegen Blast in Kombination mit statischem Über- oder Unterdruck

    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.

    Geschäftsfeld Sicherheit und Resilienz

    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.

    • Freifeldexplosionplatz und Innenraumdetotionskammer
    • Stoßrohranlage »Blast Simulation and Research« (BlastStar)
    • Universalprüfmaschinen
    • Servohydraulische Prüfanlagen
    • Fallgewichtsanlagen
    • Hopkinson Bar in Druck, Zug (Spallation) und Scherbelastungskonfiguration mit und ohne Druckkammer für dreiaxialen statischen Ausgangsspannungszustand
    • Klimakammern
    • Hochtemperaturöfen

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    Verformungen eines Stahltrapezblechs 2,8 m x 1,2 m, aufgenommen mithilfe der DIC-Technik.
    • Kameras
    • Beschleunigungssensoren
    • Druck- und Dehnungsmesstechnik für dynamische Belastungen
    • Hochgeschwindigkeits-Videosysteme
    • Digitial-Image-Correlation(DIC)-Systeme in 2 und 3D
    • VISAR (Geschwindigkeitsinterferometer)
    • Ultraschall
    • Optische Mikroskopie
    • Akustisches Mikroskop
    • Rasterelektronenmikroskop

    • ANSYS Autodyn
    • LS-DYNA
    • ABAQUS
    • SOFiSTik
    • APOLLO (am EMI entwickelte Berechnungssoftware)
    • SOPHIA (am EMI entwickelte Berechnungssoftware)
    • MATLAB Simulink
    • COMSOL
    • Hazard Analysis – FTA – FMEA

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    Abb. 1 Stoßrohranlage BlastStar.

    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.

    Stoßrohranlage BlastStar

    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.

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    Abb. 2 Leistungsspektrum des EMI-Stoßrohrs, aufgetragen über die Blastparameter reflektierter Druck und positiver spezifischer Impuls.
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    Abb. 3 Idealisierter Druck-Zeit-Verlauf, wie dieser durch Stoßrohrversuche erzeugt wird, nach DIN EN13123-1.

    Leistungsumfang:

    • Durchführung von genormten Versuchen zur Klassifizierung der Sprengwirkungshemmung bei Sicherheitsverglasungen (Verbundsicherheitsglas, Sicherheitsfenster, Sicherheitstüren) nach:

      – EN13541:2012 »Glas im Bauwesen – Sicherheitssonderverglasung – Prüfverfahren und Klasseneinteilung des Widerstandes gegen Sprengwirkung«
       
      – EN13123-1:2001 »Fenster, Türen und Abschlüsse – Sprengwirkungshemmung – Anforderungen und Klassifizierung – Teil 1: Stoßrohr«
       
      – EN13124-1:2001 »Fenster, Türen und Abschlüsse – Sprengwirkungshemmung – Prüfverfahren – Teil 1: Stoßrohr«
       
      – ISO16934:2007 »Glass in Building, Explosion-resistant security glazing – Test and classification by shock-tube loading«
       
      – Und anderen international geltenden Normen (GSA, ASTM F 1642-04)

    • Analyse der Sprengwirkungshemmung mit variablen Belastungsparametern pmax, i+ nach Kundenspezifikation
    • Analyse des Widerstands gegen Blast infolge von Gasexplosionen mit Belastungsparametern nach Kundenspezifikation
    • Analyse des Widerstands gegen Blast von baulich relevanten Strukturen aus Beton, Mauerwerk, Glas und Leichtbaumaterialien
    • Analyse des Widerstands gegen Blast in Kombination mit statischem Über- oder Unterdruck

    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.

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    Abb. 4 Auswertung eines Stoßrohrexperiments – Druck-Zeit-Signale von zwei unabhängigen Messgebern.

    Vorteile des mit Druckluft betriebenen Stoßrohrs BlastStar:

    • Hohe Variabilität in der Belastungserzeugung: Versuche für alle EPR-Klassen (Sprengstoffdetonationen) und Gasexplosionen möglich (Abbildung 2)
    • Prüfelemente werden durch eine ebene Stoßfront belastet (gleicher Druck-Zeit-Verlauf an jedem Punkt des Elements)
    • Störungsfreier Einsatz von sensibler Messtechnik (wie unter Laborbedingungen) möglich
    • Hohe Variabilität in den Dimensionen der Prüfelemente möglich (max. 2900 mm x 2900 mm)
    • Keine Umströmungseffekte (wie in Freifeldversuchen), da Versuchsdurchführung nach normativer Vorgabe am geschlossenen Stoßrohr erfolgt
    • Sehr hohe Reproduzierbarkeit der Belastungsparamater mit geringer Streuung, keine Abhängigkeit der Stoßfront von Form und Masse des Sprengstoffs (Abbildung 4)
    • Möglichkeit der Simulation von Druck-Zeit-Verläufen mit Mehrfachreflexionen

    Ergebnisse der experimentellen Analyse:

    • Klassifizierung von Bauprodukten innerhalb nationaler und internationaler Normen
    • Druck-Zeit-Verläufe an unterschiedlichen Messpunkten am Prüfkörper
    • Auslenkungsmessung an ausgewählten Punkten des Prüfelements und Herleitung von Zerstörungskennlinien für weitergehende analytische Bewertungen des Widerstandsverhaltens des Elements bei variabler Druckstoßbelastung
    • Hochgeschwindigkeitsvideoaufzeichnungen zur Analyse des Bauteilverhaltens während der Belastung
    • Dehnungsmessungen (einaxial und mehraxial) an ausgewählten Punkten des Prüfkörpers
    • Analyse der Schädigung und Herleitung von Versagensmechanismen

    Geschäftsfeld Automotive

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    Instron I und II.
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    Instron III und VHS.
    • Instron I (8033) mit einem Kraftbereich bis 250 Kilonewton und einem Temperaturbereich bis 1200 Grad Celsius.
    • Instron II (8072) mit einem Kraftbereich bis 10 Kilonewton und einem Temperaturbereich von - 35 Grad Celsius bis 85 Grad Celsius.
    • Instron III (8801) mit einem Kraftbereich bis 50 Kilonewton und einem Temperaturbereich von - 35 Grad Celsius bis 85 Grad Celsius.
    • Instron VHS I (J4855) mit einem Kraftbereich von 80 Kilonewton dyn. 30 Kilonewton qs. und einem Temperaturbereich von - 35 Grad Celsius bis 85 Grad Celsius.
    • Instron VHS II (L3188) mit einem Kraftbereich von 100 Kilonewton und einem Temperaturbereich von - 35 Grad Celsius bis 85 Grad Celsius.
    • Härtemessung

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    Fallgewicht.
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    Split Hopkinson Pressure Bar.
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    Batterieprüfstand.
    • Fallgewichte
    • Mehrachsenprüfstand
    • Split Hopkinson Pressure Bar
    • Batterieprüfstand
    • Durchlässigkeitsprüfstand

    • Mikrostrukturprüfstand
    • Mikroskopie
    • REM
    • Atomic Force Microscopy (AFM)
    • Tomografie

    • Hochtemperaturofen bis 1100 Grad Celsius
    • Kaltgasanlagen/Temperierung
    • Klimaschränke zur Probenkonditionierung

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    Kommerzielle Finite-Elemente-Codes

    • SIMULIA Abaqus
    • LSTC LS-DYNA
    • ESI PAM-CRASH
    • COMSOL Multiphysics
    • ANSYS

    Eigene Simulationssoftware

    • SOPHIA
    • APOLLO

    Optimierung

    • LS-OPT

    Datenanalyse und Auswertung

    • OriginLab Origin
    • Wolfram Mathematica
    • GOM ARAMIS
    • Mathworks MATLAB

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    • Beschleunigungsanlage HyperG 220
    • Variable Anprallkonfigurationen (Frontal-, Heck-, Seitenaufprall, Pfahltest, off-set)
    • Antrieb: servohydraulischer Katapult – Beschleunigungsprofile bis 70 g
    • Länge: 42 Meter
    • Maximale Geschwindigkeit: 22 Meter pro Sekunde
    • Maximale Nutzlast: 3000 Kilogramm
    •  

     

    Ausstattung:

    • 3D-Kraftmesswand
    • Impaktkraftmessung
    • Hochgeschwindigkeits-3D-Messungen

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    • Länge: 16 Meter
    • Maximale Geschwindigkeit: 22 Meter pro Sekunde
    • Maximale Nutzlast: 800 Kilogramm
    •  

    Ausstattung:

    • Messzelle für Verbundwerkstoffe
    • Druckmesstechnik für geschlossene Volumen
    • Thermografie
    • 3D-Kraftmessung

    • Hochgeschwindigkeitskameras
    • Kraft-, Weg-, Beschleunigungs- und Drucksensoren
    • VISAR (Geschwindigkeits-Interferometer)
    • Pyrometer/Thermokamera
    • 3D-Handscanner 
    • Optische Flächengrauwertanalyse/Markentracking
    • Fotogrammmetrie

    Geschäftsfeld Raumfahrt

    • Leichtgasbeschleuniger für Impaktgeschwindigkeiten von 2000–10 000 m/s und Projektilgrößen vom Mikrometer- bis in den Zentimeterbereich 
    • Simulation von Funktionsumgebungen beim Impakt: Hochvakuum, elektrische Versorgung von Komponenten, Druckbehälter etc. 
    • Schnittstellen für externe Diagnostik

    • Hochgeschwindigkeitsfotografie und -videografie zur optischen Visualisierung von transienten Prozessen im Experiment 
    • Zeitaufgelöste Emissionsspektroskopie zur Untersuchung von Impaktplasmen 
    • Laserinterferometrie, Laser-Doppler-Velocimetry und Beschleunigungsaufnehmer zur Erfassung von Beschleunigungen und Vibrationen 
    • Laser-Light-Sheet-Technik zur Untersuchung des Materialauswurfs beim Impakt 
    • 3D-Scanner zur Erfassung von Impaktkratern

    • PIRAT-Software-Tool zur Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit interner und externer Satellitenkomponenten durch Hypervelocity Impakt 
    • Hydrocodes und Diskrete-Elemente-Methoden-Tools zur Simulation von Impaktphänomenen
    • Modell zur Beschreibung von Impaktplasma

    Technologien zur Entwicklung wissenschaftlicher Nutzlasten und Kleinstsatelliten

    • Elektroniklabor 
    • Additive Manufacturing Facility 
    • Integrationsraum, Reinraum (Grauraum)
    • Teststände für Schwingungsprüfung, Shock-UHF-Bodenstation

    Geschäftsfeld Luftfahrt

    Normklimatische Prüflabore ausgestattet mit

    • Universalprüfmaschinen
    • Servohydraulischen Prüfanlagen
    • Fallprüfstände
    • Multiaxialprüfstand
    • Split-Hopkinson-Pressure-Bar (Zug und Druck)
    • Klimakammern für erweiterten Messbereich
    • Leichtgasbeschleuniger
    • Crashzentrum mit Gesamtfahrzeug- sowie Komponentencrashanlage für Strukturen und Bauteile bis zu vier Metern Höhe
    • Blitzschlagprüfstand für Platten oder kleine Bauteile

    • Hochgeschwindigkeits-Video-Systeme
    • Beschleunigungssensoren
    • VISAR (Geschwindigkeits-Interferometer)
    • Röntgenblitz
    • Hochgeschwindigkeits-Infrarotkameras

    • Mikrotomographie (µCT): MacroScience CT-500 und CT-350
    • Ultraschall (bis 16 mm CFK)
    • Thermographie
    • Optische Mikroskopie
    • Akustische Mikroskopie
    • Rasterelektronenmikroskopie
    • Laserrastermikroskopie
    • Atomic Force Microscope (AFM)

    • Mikrosection
    • Mechanische (DMS) und optische Verformungsmessung (DIC)
    • Mechanische und optische Extensometer
    • Kraftsensorik
    • Temperaturmessung
    • Strom- und Spannungsmessung