Strukturlabor - HS 2013

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1 - HS 2013 Entwicklung von Leichtbau - Biegeträgern gern Einführung ETH Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Swiss Federal Institute of Technology Zurich Markus Zogg, 26. September 2013, 1 Markus Zogg, 26. September 2013 CENTRE OF STRUCTURE TECHNOLOGIES

2 - HS Einleitung 2. Aufgabenstellung 3. Organisation 4. Vorjahre Markus Zogg, 26. September 2013, 2

3 1. Einleitung 1. Einleitung 2. Aufgabenstellung 3. Organisation 4. Vorjahre Markus Zogg, 26. September 2013, 3

4 1. Einleitung Ziel Anwendung von in verschiedenen Vorlesungen Gelerntem an einer konkreten Problemstellung der Strukturmechanik Auslegung, Konstruktion, Bau und Testen einer leichten Trägerkonstruktion in Gruppen von 2-3 Studenten Vergleich unterschiedlicher Werkstoffe und Bauweisen (I-Träger, Kastenträger,...) Erfassen und Diskussion von: Dehnungen an kritischen Stellen Instabilitäten (Beulen, Knicken) Versagen der Struktur Markus Zogg, 26. September 2013, 4

5 2. Aufgabenstellung 1. Einleitung 2. Aufgabenstellung 3. Organisation 4. Vorjahre Markus Zogg, 26. September 2013, 5

6 2. Aufgabenstellung Biegeträger ger Entwicklung von Leichtbau - Biegeträgern gern Aufgabe - bei für einzelne Gruppen vorgegebener Bauweise: Konstruktion & Dimensionierung (inkl. Validierung mit Versuchen) Fertigungskonzept & Kostenabschätzung Anforderungen an den Biegeträger: Bauraum (Querschnitt): 50 mm (Höhe) x 110 mm (Breite) Länge des Trägers: ca. 480 mm 3-Punkt Biegebelastung: mm Auflagelänge - min. 7'500 N Last (Sicherheitsfaktoren bereits berücksichtigt) - max. 15 mm Durchbiegung bei 7'500 N Last Markus Zogg, 26. September 2013, 6

7 2. Aufgabenstellung Biegeträger ger Einsatz bei Raumtemperatur in trockenem Klima möglichst geringes Gewicht Versuchsaufbau: Ø30 Bauraum 50 Ø Markus Zogg, 26. September 2013, 7

8 2. Aufgabenstellung Biegeträger ger es soll ein Kastenträger konstruiert werden, dessen "Basiselemente" ein Omega Profil und eine Platte sind Omega Profil Klebeschicht Platte konstruktive Optimierungen, wie unterschiedliche Dicken und Orientierungen des Laminates, Sandwichelemente, Löcher, Rippen, etc. sind innerhalb des Bauraumes möglich die Herstellung der einzelnen Faserverbundelemente erfolgt im Nasslaminierverfahren die einzelnen Faserverbundelemente werden mit eingedicktem Laminierharz verklebt Markus Zogg, 26. September 2013, 8

9 2. Aufgabenstellung Biegeträger ger Das Werkzeug für das Omega Profil hat die folgenden Abmessungen: R R10 Markus Zogg, 26. September 2013, 9

10 2. Aufgabenstellung Biegeträger ger für die Versuche sollen jeweils zwei Dehnmessstreifen an "interessanten" Stellen auf die Träger aufgeklebt werden analytische Grobauslegung des Biegeträgers globales Verhalten mit Balkentheorie abschätzen von lokalen Effekten (Krafteinleitung, Beulen, Knicken) Verfeinerung der Auslegung mit einer FEM Berechnung das zu verwendende Programm ist mit dem betreuenden Assistenten abzusprechen die Träger können im Composite Labor des IMES-ST (Zentrum für Strukturtechnologien) hergestellt werden die Arbeiten sind mit dem betreuenden Assistenten sowie mit dem Laborleiter Thomas Heinrich (CLA D24, abzusprechen Markus Zogg, 26. September 2013, 10

11 2. Aufgabenstellung Materialien zur Verfügung stehende Fasern: CF: - Gewebe, 200 g / m², Köper (Tissa ) - CF UD Gewebe, 230 g / m² (Tissa ) GF: - Gewebe, 300 g/m², Leinwand (Tissa ) - UD Gewebe, 445 g/m² (Tissa ) NF: - Flachs Gewebe, 200 g / m², Arial (Bcomp 5031) - Flachs UD, 900 g / m², Arial (Bcomp 5009) zur Verfügung stehendes Laminierharzsystem: R&G L-235 und Härter L-235 Verklebung mit eingedicktem Laminierharz Kernmaterialien für Sandwichstrukturen werden bei Bedarf durch die Betreuer organisiert Markus Zogg, 26. September 2013, 11

12 3. Organisation 1. Einleitung 2. Aufgabenstellung 3. Organisation 4. Vorjahre Markus Zogg, 26. September 2013, 12

13 3. Organisation Überblick - Termine was? wann? wo? wer? Einführung - & FVK I 26. Sept / ETF B105 MZ Einführung - FVK II & Auslegung 3. Okt / ETF B105 MZ, Ermanni AS, MaS Einführung Nasslaminieren 11. Okt / CLA D31 TH 10. Okt / Okt / Kolloquium - Auslegung Biegeträger 24. Okt 2013 / ETF B105 Studenten Einführung - Verkleben der Schalen 31. Okt / ETF B105 MZ, Ermanni AS, TH Kleben DMS - Prototyp Biegeträger 6. Nov / CLA D33 Studenten Versuch - Prototyp Biegeträger 7. Nov / CLA A13.1 Studenten freies arbeiten freies arbeiten freies arbeiten Abgabe des Berichtes (beim Assistent) 14. Nov Nov Dez Dez / Nov / 13 Prüfung LEO C1 Studenten je 45 mim pro Gruppe - - Kolloquium - Kostenabschätzung 5. Dez / ETF B105 MZ Kleben DMS - verbesserter Biegeträger 11. Dez / CLA D33 Studenten Versuch - verbesserter Biegeträger 12. Dez / CLA A13.1 Studenten - - LEO (Büro) Studenten Markus Zogg, 26. September 2013, 13

14 3. Organisation 26. September 2013 Einführung & faserverstärkte rkte Kunststoffe Inhalt: Einführung Einführung faserverstärkte Kunststoffe - Teil 1 Einführung Leichtbau wo? / wann? / wer? ETF B Markus Zogg Markus Zogg, 26. September 2013, 14

15 3. Organisation 3 Oktober 2013 faserverstärkte rkte Kunststoffe II & Auslegung Inhalt: Einführung faserverstärkte Kunststoffe - Teil 2 Berechnung von Leichtbaustrukturen mit der Balkentheorie Einführung in die Berechnung von Leichtbaustrukturen mittels FEM wo? / wann? / wer? ETF B Markus Zogg, Alberto Sánchez Cebrián, Mattia Serra Markus Zogg, 26. September 2013, 15

16 3. Organisation 10., 11. oder 17. Oktober 2013 Nasslaminieren Inhalt: praktische Übung Nasslaminieren Nasslaminieren von 3-dimensionalen Strukturen Aushärten unter Vakuum wo? / wann? / wer? CLA D (10. und 17. Oktober) (11. Oktober) Thomas Heinrich Markus Zogg, 26. September 2013, 16

17 3. Organisation 24. Oktober 2013 Kolloquium - Auslegung des Biegeträgers gers Vortrag (ca. 15 min pro Gruppe) + Diskussion Inhalt des Vortrags: gewähltes Konzept Grobauslegung des Biegeträgers (Handrechnung) Analyse der lokalen Lasten mit FEM Berechnung Identifikation und Dimensionierung von stabilitätskritischen Elementen (Beulen oder Knicken) wo? / wann? / wer? ETF B / Gruppe 1 (CFK) / Gruppe 2 (GFK) / Gruppe 3 (NFK) / Gruppe 4 (CFK oder NFK) Markus Zogg, 26. September 2013, 17

18 3. Organisation 31. Oktober 2013 Verkleben der Schalen Inhalt: Einführung Verbindungs- und Klebetechnologien Demo & praktische Übung im Labor wo? / wann? / wer? ETF B105 / CLA D ca (Einführung, ETF B105) ca (praktischer Teil, CLA D31) Alberto Sánchez Cebrián, Markus Zogg, Thomas Heinrich Markus Zogg, 26. September 2013, 18

19 3. Organisation 7. November 2013 Versuch - Prototyp Biegeträger ger aufkleben von 2 Dehnmessstreifen an interessanten (kritischen) Stellen des Biegeträgers (6. November 2013 / / CLA D31) Vortrag (ca. 10 min) + Vermessen des Trägers + Versuch Inhalt des Vortrags: gewähltes Konzept Analyse der kritischen Stellen: - Maximale Materialbelastung - Beulen oder Knicken - lokale Effekte an den Krafteinleitungsstellen wo und warum versagt der Träger Vorhersagen: - Federkonstante im linearen Bereich Last über Weg [ N / mm ] - Dehnung bei Dehnmessstreifen über Weg [ % / mm ] - maximal ertragene Last als Zahl Markus Zogg, 26. September 2013, 19

20 3. Organisation 7. November 2013 Vermessen und Versuch Einhaltung des Bauraums im Querschnitt Länge des Biegeträgers Gewicht des Biegeträgers 3 Punkt Biegeversuch auf Universalprüfmaschine wo? / wann? / wer? CLA A / Gruppe 1 (CFK) / Gruppe 2 (GFK) / Gruppe 3 (NFK) / Gruppe 4 (CFK oder NFK) Markus Zogg, 26. September 2013, 20

21 3. Organisation 21. November 2013 Prüfung Vortrag in Gruppe - jeder trägt einen Teil vor (total ca. 20 min): Konzept, Auslegung (analytisch & FEM) und Fertigung des Prototyp Biegeträgers Ergebnisse des ersten Versuchs und deren Analyse Vorschläge zur Verbesserung des Biegeträgers Fragen - individuell an die einzelnen Studenten: Konzept, Auslegung und Fertigung spezieller Fokus auf von der jeweiligen Gruppe hergestellte Biegeträger Markus Zogg, 26. September 2013, 21

22 3. Organisation 21. November 2013 wo? / wann? / wer? LEO C / Gruppe 1 (CFK) / Gruppe 2 (GFK) / Gruppe 3 (NFK) / Gruppe 4 (CFK oder NFK) Studenten einer Gruppe, Prof. Ermanni & Beisitzer Zusammensetzung der Gesamtnote: Präsentationen der Gruppen (20 %) Bericht & Qualität der Ergebnisse (40 %) mündliche Prüfung (40 %) Markus Zogg, 26. September 2013, 22

23 3. Organisation 5. Dezember 2013 Kolloquium - Kostenabschätzung tzung Inhalt: Einleitung anfallende Kosten Excel Vorlage für Kostenrechnung wo? / wann? / wer? ETF B ca Markus Zogg Markus Zogg, 26. September 2013, 23

24 3. Organisation 12. Dezember 2013 Versuch - verbesserter Biegeträger ger aufkleben von 2 Dehnmessstreifen an interessanten (kritischen) Stellen des Biegeträgers (11. Dezember 2013 / / CLA D31) Vortrag (ca. 10 min) + Vermessen des Trägers + Versuch Inhalt des Vortrags: Diskussion der Ergebnisse des ersten Versuchs Verbesserungen am Träger für den zweiten Versuch Fertigungskonzept & Kostenabschätzung Vorhersagen: - Federkonstante im linearen Bereich Last über Weg [ N / mm ] - Dehnung bei Dehnmessstreifen über Weg [ % / mm ] - maximal ertragene Last als Zahl [N] Markus Zogg, 26. September 2013, 24

25 3. Organisation 12. Dezember 2013 Vermessen und Versuch Einhaltung des Bauraums im Querschnitt Länge des Biegeträgers Gewicht des Biegeträgers 3 Punkt Biegeversuch auf Universalprüfmaschine wo? / wann? / wer? CLA A / Gruppe 1 (CFK) / Gruppe 2 (GFK) / Gruppe 3 (NFK) / Gruppe 4 (CFK & NFK) Markus Zogg, 26. September 2013, 25

26 3. Organisation 20. Dezember 2013 Bericht Inhalt des Berichts: gewähltes Konzept verwendete Materialien analytische Grobauslegung (Handrechnung) verfeinerte Auslegung mit FEM Berechnung Identifikation & Auslegung von stabilitätskritischen Elementen Fertigung Prototyp Biegeträger Ergebnisse 1. Versuch & Diskussion (Vergleich zu Vorhersagen,...) Verbesserungen am Träger für den zweiten Versuch Fertigung verbesserter Biegeträger Ergebnisse 2. Versuch & Diskussion (Vergleich zu Vorhersagen,...) weitere Verbesserungsvorschläge Fertigungskonzept für Serie & Kostenabschätzung Markus Zogg, 26. September 2013, 26

27 3. Organisation 20. Dezember 2013 Aufbau des Berichts: Titelblatt mit Titel, Referenznummer, Namen aller Autoren, Institution / Veranstaltung (z.b.: ETH Zürich, Bachelor-Studium Maschineningenieurwissenschaften, FS13) und Datum Zusammenfassung (1-2 Seiten) Inhaltsverzeichnis Einleitung Ergebnisse der Untersuchungen & deren Diskussion ( thematisch gegliederte Kapitel) Ausblick Literaturliste Format des Berichtes: A4 Hochformat alle nicht im Bericht erarbeiteten Angaben und Annahmen mit Quellenangabe versehen Markus Zogg, 26. September 2013, 27

28 3. Organisation 20. Dezember 2013 Literaturstellen richtig zitieren: Artikel aus Zeitschriften: Autor(en), Titel, Zeitschrift, Verlag, Jahr, Nummer (Ausgabe), Seitenzahl(en) Bücher: Autor(en), Titel, Verlag, Jahr, ISBN Nummer, eventuell Seitenzahl(en) formelles: Kopf oder Fusszeile auf jeder Seite mit Seitenzahl, Referenznummer, Namen aller Autoren und Datum Abgabe als gedruckte Version (1 Exemplar) und PDF File Markus Zogg, 26. September 2013, 28

29 3. Organisation allgemeine Punkte Testatbedingungen: aktive Mitarbeit in der Gruppe Teilnahme an Prüfung, Kolloquien und Versuchen wenn in einer Gruppe die Teamarbeit nicht klappt, wird sie in mehrere Teilgruppen aufgeteilt: per Entscheid der betreuenden Assistenten davor erarbeitete Resultate stehen uneingeschränkt allen Teilgruppen zur Verfügung danach anstehende Aufgaben müssen von allen Teilgruppen unabhängig von einander und vollständig bearbeitet werden Markus Zogg, 26. September 2013, 29

30 3. Organisation nächste Schritte Einteilung der Gruppen Einschreiben auf Listen bei Betreuern Wertungen BEST GUESS: Student der am genauesten die Gewichte der jeweils leichtesten Träger pro Bauweise, die alle Anforderungen erfüllen schätzt (Summe der Abweichungen) die Schätzungen beeinflussen die Note nicht Wertung BEST DESIGN: Wertung BEST DESIGN: Gruppe deren Träger am exaktesten die 7'500 N Maximallast erreicht Markus Zogg, 26. September 2013, 30

31 4. Vorjahre 1. Einleitung 2. Aufgabenstellung 3. Organisation 4. Vorjahre Markus Zogg, 26. September 2013, 31

32 4. Vorjahre Aufgabe Ziel: 10'000 N maximale Last Auflagelänge: 500 mm Bauraum: 60 mm (hoch) x 100 mm (breit) verschiedene Materialien und Bauweisen vorgegeben Markus Zogg, 26. September 2013, 32

33 4. Vorjahre 2009 Bauweise: Aluminium Fachwerk - vernietet maximale Last: 10'510 N Federkonstante: 1'685 N / mm Gewicht: 1'320 g (bei 609 mm Länge) 2'168 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 33

34 4. Vorjahre 2009 Bauweise: Stahlblech - vernietet maximale Last: 11'331 N Federkonstante: 4'235 N / mm Gewicht: 2'085 g (bei 582 mm Länge) 3'583 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 34

35 4. Vorjahre 2009 Bauweise: Holz (Eiche) - verklebt maximale Last: 12'558 N Federkonstante: 1'658 N / mm Gewicht: 939 g (bei 600 mm Länge) 1'565 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 35

36 4. Vorjahre 2009 Bauweise: Holz (Eiche) - verklebt maximale Last: 9'780 N Federkonstante: 1'296 N / mm Gewicht: 395 g (bei 542 mm Länge) 729 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 36

37 4. Vorjahre 2009 Bauweise: GFK - monolithisch maximale Last: 11'144 N Federkonstante: 1'271 N / mm Gewicht: 637 g (bei 600 mm Länge) 1'062 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 37

38 4. Vorjahre 2010 Bauweise: Aluminium - Kastenträger maximale Last: 10'291 N Federkonstante: 2'446 N / mm Gewicht: 856 g (bei 600 mm Länge) 1'426 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 38

39 4. Vorjahre 2010 Bauweise: GFK - monolithisch maximale Last: 8'132 N Federkonstante: 1'010 N / mm Gewicht: 285 g (bei 600 mm Länge) 475 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 39

40 4. Vorjahre 2010 Bauweise: Holz - monolithisch maximale Last: 9'425 N Federkonstante: 1'235 N / mm Gewicht: 395 g (bei 600 mm Länge) 658 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 40

41 4. Vorjahre 2011 Bauweise: Aluminium - Kastenträger maximale Last: 12'364 N Federkonstante: 2'220 N / mm Gewicht: 856 g (bei 600 mm Länge) 1'430 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 41

42 4. Vorjahre 2011 Bauweise: Aluminium - Kastenträger maximale Last: 11'304 N Federkonstante: 2'301 N / mm Gewicht: 736 g (bei 600 mm Länge) 1'230 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 42

43 4. Vorjahre 2011 Bauweise: GFK - monolithisch maximale Last: 16'120 N Federkonstante: 1175 N / mm Gewicht: 452 g (bei 599 mm Länge) 750 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 43

44 4. Vorjahre 2011 Bauweise: GFK - monolithisch maximale Last: 9'158 N Federkonstante: 1'025 N / mm Gewicht: 412 g (bei 600 mm Länge) 690 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 44

45 4. Vorjahre 2011 Bauweise: Holz - monolithisch maximale Last: 6'878 N Federkonstante: 977 N / mm Gewicht: 772 g (bei 563 mm Länge) 1'370 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 45

46 4. Vorjahre 2012 Bauweise: GFK - monolithisch maximale Last: N Federkonstante: 750 N / mm Gewicht: 384 g (bei 600 mm Länge) 640 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 46

47 4. Vorjahre 2012 Bauweise: GFK - monolithisch maximale Last: N Federkonstante: 746 N / mm Gewicht: 307 g (bei 600 mm Länge) 511 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 47

48 4. Vorjahre 2012 Bauweise: CFK - monolithisch maximale Last: N Federkonstante: 2400 N / mm Gewicht: 332 g (bei 600 mm Länge) 553 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 48

49 4. Vorjahre 2012 Bauweise: CFK - monolithisch maximale Last: N Federkonstante: 1160 N / mm Gewicht: 174 g (bei 600 mm Länge) 290 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 49

50 4. Vorjahre 2012 Bauweise: Holz maximale Last: N Federkonstante: 1400 N / mm Gewicht: 581 g (bei 600 mm Länge) 968 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 50

51 4. Vorjahre 2012 Bauweise: Holz maximale Last: N Federkonstante: 721 N / mm Gewicht: 403 g (bei 600 mm Länge) 671 g / m Markus Zogg, 26. September 2013, 51

52 - HS 2013 vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Markus Zogg, 26. September 2013, 52