Lehre

In der Lehrveranstaltung werden Kenntnisse zur Auslegung und Kombination textiler Werkstoffe, Materialien und Strukturen, welche für die Leistungs-entfaltung der spezifischen textilbasierten Werkstoffeigenschaften (Faser-Mikroebene) in Technischen Textilien und textilverstärkten Faser-Kunststoff-Verbund(FKV)-Werkstoffen (Makroebene) bestimmend sind, vermittelt. Die Studierenden erhalten einen Überblick über Verwendung einzelner textiler Verfahrenstechniken und deren Kombination zu integrierten Verfahren, um in damit einhergehender Zusammenführung textiler Materialien und Komponenten textile Strukturen anwendungstechnischen Anforderungen und Kenngrößen folgend auszulegen. Hierzu werden die technologischen Parameter aus den in Einzelheit und Kombination verwendeten Verfahren zur Herstellung materialspezifisch und geometrisch komplexer textiler Strukturen abgeleitet und ingenieurtechnisch zur Anwendung gebracht.

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In der Lehrveranstaltung werden im ersten Schritt die elastizitätstheoretischen Grundlagen für anisotropes Materialverhalten der Einzelschicht vermittelt, um darauf aufbauend die Mehrschichttheorie abzuleiten. Die Mehrschichtverbunde aus faserverstärkten Materialien stellen vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau und im Allgemeinen Maschinenbau zukunftsweisende Leichtbaulösungen dar. Mit der klassischen Laminattheorie als mathematisches Handwerkszeug erlernen die Studierenden das komplexe Spannungs- und Verformungsverhalten ebener Flächentragwerke aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) infolge mechanischer, thermischer und medienbedingter Belastung zu erfassen. Dadurch werden die Studierenden in die Lage versetzt, ein belastungsgerechtes Strukturverhalten für den Mehrschichtverbund durch die gezielte Schichtorientierung und den gezielten Schichtaufbau belastungsgerecht zu konstruieren. Im Weiteren werden pauschale sowie bruchtypbezogene Versagenshypothesen vermittelt, die in unterschiedlichen Auslegungskonzepten zur Anwendung kommen.

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Grundlagen zu biobasierten Kunststoffen

Rohstoffbasis und Synthese von Biokunststoffen

Verarbeitung von Biokunststoffen

Eigenschaften und Anwendungen

Natürliche Verstärkungsmaterialien (Fasern und Füllstoffe)

Naturfasergewinnung und -eigenschaften

Naturfaserhalbzeuge und -compounds

Verarbeitung zu Verbundbauteilen

Entsorgung und Recycling von biobasierten Bauteilen

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Die Veranstaltungen beinhalten die Betrachtung der Ergebnisse der biologischen Evolution aus der Sicht des Ingenieurs mit dem Ziel der Entwicklung des Verständnisses für die Gestaltung von Strukturen im Leichtbauwesen.
Die Vorlesungsinhalte stellen eine wichtige Basis für die ingenieurtechnische Ausbildungsrichtung dar. Neben den Grundlagen der Bionik werden Konzepte der Bauteilgestaltung nach bionischem Vorbild vermittelt. Hierbei stehen neben den Gestaltungsprinzipien lasttragender Strukturen in der Natur die algorithmische Umsetzung von Berechnungsmethoden und Optimierungsansätzen mit von der Natur abgeleiteten Verfahren im Vordergrund. Darüber hinaus werden aktuelle Software-Systeme angesprochen, welche die Lösung derartiger Problemstellungen erlauben. Der Studierende soll einen Überblick über bionische Grundprinzipien bei der Bauteilgestaltung erhalten. Damit soll er in der Lage sein, Konstruktionen nach natürlichen Vorbildern abzuleiten und diese entsprechend auslegen und umsetzen zu können. Weiterhin sollen die Grenzen biologischer Gestaltungskonzepte im Vergleich zu technischen Konstruktionen deutlich werden.

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In der Lehrveranstaltung werden im ersten Schritt die elastizitätstheoretischen Grundlagen für anisotropes Materialverhalten der Einzelschicht vermittelt, um darauf aufbauend die Mehrschichttheorie abzuleiten. Die Mehrschichtverbunde aus faserverstärkten Materialien stellen vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau und im Allgemeinen Maschinenbau zukunftsweisende Leichtbaulösungen dar. Mit der klassischen Laminattheorie als mathematisches Handwerkszeug erlernen die Studenten das komplexe Spannungs- und Verformungsverhalten ebener Flächentragwerke aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) infolge mechanischer, thermischer und medienbedingter Belastung zu erfassen. Im Weiteren werden pauschale sowie bruchtypbezogene Versagenshypothesen vermittelt, die in unterschiedlichen Auslegungskonzepten zur Anwendung kommen.

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In den Vorlesungen werden die Grundlagen zur Anwendung der faserverstärkten Kunststoffe vermittelt. Aufbauend auf den Grundprinzipien der Faserverbunde werden die einzelnen Komponenten Faser, Matrix und Interface näher erläutert. Über Halbzeugformen, Faserverbundbauweisen und einer werkstoffmechanischen Charakterisierung werden die Grundlagen zur Strukturanalyse von anisotropen Verbunden sowie die Auslegung von Schichtverbunden erklärt. Dem schließen sich Ausführungen zu Entwurf und Auslegung, Verbindungs- und Krafteinleitungstechniken sowie die grundlegenden Fertigungstechnologien von Faserverbunden an. Die Lehrveranstaltung wird abgerundet mit dem Thema Naturfaserverbunde und Recycling. Eine Übung ergänzt die Lehrinhalte.

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In den Vorlesungen werden die Grundlagen der Extrusionstechnik beginnend mit den verschiedenen Extrusionssystemen, deren Aufbau bis zur Energiebilanz dargestellt. Dabei werden die einzelnen Varianten in ihrem Prozessablauf, ihren Verfahrensparametern sowie herzustellenden Produkten mit ihren Bauteileigenschaften charakterisiert.

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In den Vorlesungen werden die Grundlagen zur Anwendung der faserverstärkten Kunststoffe vermittelt. Aufbauend auf den Grundprinzipien der Faserverbunde werden die einzelnen Komponenten Faser, Matrix und Interface näher erläutert. Über Halbzeugformen, Faserverbundbauweisen und einer werkstoffmechanischen Charakterisierung werden die Grundlagen zur Strukturanalyse von anisotropen Verbunden sowie die Auslegung von Schichtverbunden erklärt. Dem schließen sich Ausführungen zu Entwurf und Auslegung, Verbindungs- und Krafteinleitungstechniken sowie die grundlegenden Fertigungs-technologien von Faserverbunden an. Die Lehrveranstaltung wird abgerundet mit dem Thema Naturfaserverbunde und Recycling. Ein Praktikum ergänzt die Lehrinhalte.

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Die auf den Kenntnissen der Lehrveranstaltung „Grundlagen der Hydraulik und Pneumatik“ aufbauende Vorlesung gliedert sich in einen theoretischen und einen anwendungsbezogenen Themenkomplex. Im ersten Teil werden Kenntnisse und Methoden zur Modellbildung, Regelung und Simulation elektrohydraulischer Antriebssysteme vermittelt. Der zweite Teil umfasst eine Systematisierung der Fluidtechnik für mobile und stationäre Anwendungen. Es werden Einsatzgebiete und Anforderungen abgegrenzt sowie grundlegende fluidtechnische Komponenten und Systeme dargestellt. Anschließend werden an-hand verschiedener Anwendungsbereiche weiterführende Kenntnisse im Bereich der Projektierung, der Konstruktion und der Analyse fluidtechnischer Systeme vermittelt.

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Die Vorlesung Geschichte des Maschinenbaus gibt einen Überblick über die Entwicklung des Maschinenbaus bis heute. Die Schwerpunkte beginnen mit der Entwicklung der Dampfmaschine, der Industriellen Revolution und gehen dann über die Zentren der technisch-industriellen Entwicklung vor und nach dem Zweiten Weltkrieg bis hin zur heutigen Massenproduktion. Darüber hinaus werden die Themen Textilmaschinenbau, Verkehrstechnik und Luftfahrttechnik näher betrachtet

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In der Lehrveranstaltung werden Grundkenntnisse zur Gestaltung der Faser-Matrix-Grenzfläche, welche entscheidend für die Qualität und Eigenschaften der Faserkunststoffverbunde sind, vermittelt. Die Studierenden erhalten einen Überblick über die physikalischen und chemischen Eigenschaften textiler Oberflächen bzw. Matrix-Grenzflächen, die Möglichkeiten der gezielten Aktivierung, Funktionalisierung und Modifizierung der äußeren Materialschichten und zu Materialkombinationen und deren Kompatibilität. An Beispielen werden die physikalischen und chemischen Oberflächeneigenschaften wie Oberflächenenergie und chemische Struktur experimentell ermittelt.

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In den Vorlesungen werden die Grundlagen zur Anwendung hydraulischer und pneumatischer Antriebselemente im Maschinenbau vermittelt. Aufbauend auf den physikalischen Grundlagen werden die Berechnungsgrundlagen abgeleitet. Dem schließen sich Ausführungen zum Aufbau und zur Funktionsweise der wichtigsten Bauelemente an. Die Lehrveranstaltung wird abgerundet mit Projektierungs- und Dimensionierungsrichtlinien. Ein Praktikum ergänzt die Lehrinhalte.

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Ausgehend von methodischen Vorgehensweisen zur Konzeption technischer Systeme unter Berücksichtigung der Leichtbauweisen vermittelt das Modul wesentliche Prinzipien und Entwurfsregeln zur Gestaltung und Berechnung von Leichtbaukonstruktionen. Dazu erhält der Student einen umfassenden Überblick über die wichtigsten Leichtbauwerkstoffe mit ihren physikalischen Eigenschaften und den für die Praxis bedeutungsvollen Fertigungsverfahren. Diese Kenntnisse werden dabei anschließend anhand verschiedener Bauweisen wie Differential-, Integral- und Mischbauweise angewendet und näher erläutert. Komplettiert wird die Vorlesung durch das Gestalten von Krafteinleitungen sowie die Auswahl von geeigneten Verbindungstechniken für Leichtbaustrukturen.

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Das Modul kunststoffbasierte Fertigungstechnologien gliedert sich in die Themenbereiche Integrative Extrusionstechnik und Herstellungstechnologien für Faserverbundkonstruktionen. In den Vorlesungen werden die Grundlagen der Extrusionstechnik beginnend mit den verschiedenen Extrusionssystemen, deren Aufbau bis zur Energiebilanz dargestellt. Dabei werden die einzelnen Varianten in ihrem Prozessablauf, ihren Verfahrensparametern sowie herzustellenden Produkten mit ihren Bauteileigenschaften charakterisiert. Neben der Extrusion wird im zweiten Fachgebiet die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen fokussiert. Aufbauend auf den Grundlagen der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden vorrangig die Herstellungsverfahren für duroplastisch basierte FKV erläutert und untereinander bewertet. Ergänzend erfolgt eine Vorstellung der neuen endlos-faserfaserstärken Thermoplastverbunde in Herstellung, Eigenschaften und Weiterverarbeitung. Ein Praktikum ergänzt die Lehrinhalte.

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Das Modul kunststoffbasierte Fertigungstechnologien gliedert sich in die Themenbereiche Integrative Extrusionstechnik und Herstellungstechnologien für Faserverbundkonstruktionen. In den Vorlesungen werden die Grundlagen der Extrusionstechnik beginnend mit den verschiedenen Extrusionssystemen, deren Aufbau bis zur Energiebilanz dargestellt. Dabei werden die einzelnen Varianten in ihrem Prozessablauf, ihren Verfahrensparametern sowie herzustellenden Produkten mit ihren Bauteileigenschaften charakterisiert. Neben der Extrusion wird im zweiten Fachgebiet die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen fokussiert. Aufbauend auf den Grundlagen der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden vorrangig die Herstellungsverfahren für duroplastisch basierte FKV erläutert und untereinander bewertet. Ergänzend erfolgt eine Vorstellung der neuen endlos-faserfaserstärken Thermoplastverbunde in Herstellung, Eigenschaften und Weiterverarbeitung. Ein Praktikum ergänzt die Lehrinhalte.

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Unter Beachtung des Leichtbaupotentials von polymeren Verbundwerkstoffen und in Anlehnung bionischer Strukturkonzepte werden in der Lehrveranstaltung Grundkenntnisse zu aktiven Strukturkonzepten und Bauweisen im Hinblick auf eine Bewertung zur Strukturintegration sowie die Erhöhung der Leistungs- und Funktionsdichte für technische Anwendungen vermittelt. Die Studierenden erhalten einen Überblick zu adaptiven Bauweisenelementen, die Zustände oder Charakteristiken einer Verbundstruktur verändern können, und deren Bedeutung bei der technischen Nutzung. Gleichzeitig wird eine Übersicht zu Fertigungstechnologien, die zur Herstellung von passiven und aktiven Funktionsbauteilen im Massenherstellungsverfahren geeignet sind, gegeben. An verschiedenen Anwendungsbeispielen von aktiven Strukturkonzepten wird die Klassifizierung adaptronischer Systeme vorgenommen und erläutert.

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• Allgemeine Konstruktionstechnik
• Klären von Aufgabenstellungen im Bereich des Strukturleichtbaus
• Konzipieren von Tragwerken
• Vordimensionieren
• Entwerfen von Faserverbundstrukturen
• Gestalten von Lasteinleitungen und Fügeverbindungen

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Die Kunststoffverarbeitung strebt neben der Integration von Funktionen nach ressourcen- und kostenoptimierten Prozessschritten in der Fertigung von Mehrkomponenten-Kunststoffbauteilen. In dem Modul erfolgt die Vermittlung der Grundlagen der Mehrkomponenten-Kunststoffverarbeitung, die sich vorrangig in Additionsverfahren und Sequenz-verfahren unterteilt. Darüber hinaus werden Hinterspritz- und Folientechnologien unter Analyse der Vor- und Nachteile vorgestellt. Die Verknüpfung zweier Fertigungstechnologien, der Reaktions- und Spritzgießtechnik, ermöglicht die Herstellung in einer Prozess-stufe und zugleich die Schaffung hochwertiger Oberflächeneffekte wie Glanz und mechanische Beständigkeit. Die Kombination von verschiedenen Kunststoffen erfordert zudem die Kenntnis der Haftungsmechanismen, Konstruktionsprinzipien sowie der Werkzeugsysteme. Das Modul wird abgerundet durch Grundlagen des Mikrospritzgießens.

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Die Lehrveranstaltung vermittelt die Grundlagen von biobasierten Kunststoffen von der Rohstoffbasis und Synthese, der Verarbeitung bis hin zu deren Eigenschaften und Anwendungen. Darüber hinaus erfolgt die Wissensvermittlung zu biobasierenden Verbundwerkstoffen aufbauend auf der Naturfasergewinnung und deren Eigenschaften über Naturfaserhalbzeuge und -compounds, deren Verarbeitung zu Verbundbauteilen bis hin zu deren Entsorgung und Recycling. Des Weiteren werden den Studenten Grundlagen für die Gestaltung der Faser-Matrix-Grenzfläche, welche entscheidend für die Qualität und Eigenschaften der Faserkunststoffverbunde sind, vermittelt. Die Lehrveranstaltung bietet einen Überblick über die physikalischen und chemischen Eigenschaften textiler Oberflächen bzw. Matrix-Grenzflächen, die Möglichkeiten der gezielten Aktivierung, Funktionalisierung und Modifizierung der äußeren Materialschichten sowie Materialkombinationen und deren Kompatibilität. Praktika zur Verarbeitung von biobasierten Kunststoffen und Verbundwerkstoffen sowie zur beispielhaften Ermittlung der physikalischen und chemischen Oberflächeneigenschaften ergänzen den Lehrplan.

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Das Modul vermittelt den Studierenden die praktische sowie wissenschaftliche Umsetzung einer vorgegebenen Problemstellung. Dabei werden die Studierenden in die Lage versetzt, eigenverantwortlich ein Thema wissenschaftlich zu bearbeiten und diese Ergebnisse in kleiner Seminarrunde in einem Vortrag vorzustellen. Somit können die zukünftigen Absolventen eine Simulation und Auslegung einer konkreten Komponente durchführen und die Ergebnisse einem Fachpublikum anschaulich präsentieren.

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Durch die Einbeziehung aller wesentlichen Elemente des Verarbeitungsprozesses wie Verarbeitungsgut, Arbeitsorgan, Maschine sowie der Handhabe- und Verkettungseinrichtungen wird die Grundlage für deren optimale konstruktive Gestaltung gelegt. Einen wesentlichen Punkt machen die Verarbeitungseigenschaften auf die Auslegung der Handhabeeinrichtungen aus. Weiterhin werden Hinweise zur Dimensionierung und Auslegung von Handhabeeinrichtungen vermittelt. Besonderen Einblick erhalten die Studierenden in die Handhabung biegeschlaffer Verstärkungsstrukturen zur Herstellung von Hochleistungsbauteilen.

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In der Vorlesung wird zunächst ein Überblick zur geschichtlichen Entwicklung sowie zu den Prinzipien der Aufbereitungstechnik, speziell für den breiten Anwendungsbereich der Kunststoffe vermittelt. Der Fokus liegt hierbei auf der Wiederverwendung von Produkten und Produktionsresten als Sekundärrohstoff. Neben der Erarbeitung der physikalischen Grundlagen zur Charakterisierung und Bestimmung von Reststoffen erfolgt die ausführliche Darstellung der Stoffeigenschaften. Besondere Beachtung finden die zahlreichen Aufbereitungs- und Sortierprozesse, die für die Wahl des passenden Recyclingverfahrens von zentraler Bedeutung sind. In der Vorlesung zu den verschiedenen Recyclingverfahren werden umfangreiche Kenntnisse zu den Aufbereitungsmethoden aktueller Werkstoffe und deren Entwicklungen vermittelt. Dabei wird vertieft auf das Recycling von Faser-Kunststoff-Verbunden eingegangen. Abschließend wird anhand von Anwendungsbeispielen das Potenzial der geschlossenen Stoffkreisläufe im Hinblick auf die recyclinggerechte Produktgestaltung aufgezeigt.
Inhalte:

• Abfallgesetzgebung
• Schadstoffe
• Mechanische Aufbereitung
• Trennverfahren
• Kunststoffrecycling
• Kreislaufwirtschaft

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In den Vorlesungen werden die Grundlagen zur Anwendung von Simulationsverfahren im Strukturleichtbau vermittelt. Dabei werden sowohl das Verhalten von Bauteilen beim Herstellungsprozess selbst, wie das Fließverhalten beim Spritzguss und Resin Transfer Moulding (RTM) Verfahren, das Schwindungs- und Verzugsverhalten beim Abkühlprozess, die Induzierung prozessbedingter Eigenspannungen als auch die Abläufe typischer Herstellungsprozesse bei Leichtbautechnologien betrachtet. Des Weiteren wird speziell auf die Eigenschaftsänderungen der Kunststoffe während des Verarbeitungsprozesses eingegangen. Einen breiten Raum in der Vorlesung nehmen die Simulationen thermomechanischer Interaktionen von Polymerschmelzen im Spritzgießwerkzeug und die daraus resultierenden Restriktionen für die zugehörige Werkzeugkonstruktion ein. Abgerundet wird der Inhalt mit Betrachtungen zur Verkettung komplexer Leichtbautechnologien.

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Ausgehend von methodischen Vorgehensweisen zur Konzeption technischer Systeme vermittelt die Lehrveranstaltung Strukturleichtbau wesentliche Prinzipien und Entwurfsregeln zur Gestaltung von Leichtbau-konstruktionen. Dazu erhalten die Studierenden einen umfassenden Überblick über die wichtigsten Leichtbauwerkstoffe mit ihren physikalischen Eigenschaften und den für die Praxis bedeutungsvollen Fertigungsverfahren. Diese Kenntnisse werden dabei anschließend anhand verschiedener Bauweisen wie Differential-, Integral- und Mischbauweise angewendet und näher erläutert. Komplettiert wird die Vorlesung Leichtbaukonstruktion durch das Gestalten von Krafteinleitungen sowie die Auswahl von geeigneten Verbindungstechniken für Leichtbaustrukturen. Derartige Konstruktionselemente stellen vorwiegend die dimensionierenden Größen für das gesamte Bauteil in Leichtbauweise dar.

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In dem Seminar werden in ausgewählten Vorträgen aktuelle Themenstellungen aus den Gebieten des Leichtbaus präsentiert. Der Studierende erhält Kenntnisse einerseits über den Stand der Wissenschaft in ausgesuchten Themengebieten und anderseits über Präsentationsvarianten von wissenschaftlichen Problemstellungen. Das Seminar vermittelt den Studierenden die praktische sowie wissenschaftliche Umsetzung einer vorgegebenen Problemstellung. Dabei wird der aktuelle Wissensstand in ausgewählten Entwicklungen auf dem Gebiet des Leichtbaus präsentiert, an die der Studierende in eigenen wissenschaftlichen Überlegungen anknüpfen kann. Somit können die zukünftigen Absolventen Entwicklung und Herstellung einer konkreten Leichtbaukomponente unter Zuhilfenahme aktueller Wissenschaftsergebnisse durchführen.

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Die textilen Verstärkungsstrukturen haben dominierende Wirkung auf die Verbundeigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbund(FKV)-Bauteilen. In dem Modul erfolgt eine Vertiefung der Kenntnisse zu den Wirkmechanismen vorrangig zweidimensionaler Verstärkungsstrukturen. Auf der Basis der jeweils erreichten Fasersubstanzausnutzung wird an praktischen Beispielen von uni-, bi- und multidirektional verstärkenden textilen Halbzeugen der Einfluss textiler Verbundkomponenten auf die erzielbaren Faser-Kunststoff-Verbundeigenschaften demonstriert und erörtert. Modellrechnungen an ausgewählten Bauteilen vertiefen das Verständnis für technologie- und anwendungsorientierte Material- und Strukturauswahl. Die Vorlesungsinhalte werden in Seminaren und Praktika vertieft.

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Ausgehend von Methoden und Berechnungsvorschriften zur Charakterisierung der strukturdynamischen Eigenschaften von Verbunden vermittelt das Modul wesentliche physikalische Phänomene, dazugehörige Messmethoden, Prüfverfahren und Simulationsmethoden. Dazu erhalten die Studierenden einen umfassenden Überblick über die wichtigsten dynamischen Effekte wie z.B. Werkstoffdämpfung, dynamische Steifigkeit und deren Abhängigkeit von mechanischen Eigenschaften anisotroper Werkstoffe und Verbundsysteme. Der Einfluss auf das Verhalten von Bauteilen bei Schwingungsanregung sowie deren akustische Eigenschaften werden dabei anschließend anhand verschiedener Messmethoden wie Modalanalyse, Laservibrometer, Impedanz- und Transmissionsrohr, Hallraum und Fensterprüfstand ermittelt. Im Weiteren werden die theoretischen Grundlagen von Simulationsmethoden zur Bestimmung der Körperschallschwingungen so-wie der darin begründeten Schallabstrahlung vermittelt und an einfachen Beispielen demonstriert.

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