Simulation einer Nanoindentation in das idealisierte Modell ('staggered-model'=gestaffelt aufgebautes Modell) eines biologischen Materials (Knochen, Dentin, Perlmutt,...) mit Hilfe des FEM-Paketes "ABAQUS"

Florian Mayer

Simulation einer Nanoindentation in das idealisierte Modell ('staggered-model'=gestaffelt aufgebautes Modell) eines biologischen Materials (Knochen, Dentin, Perlmutt,...) mit Hilfe des FEM-Paketes "ABAQUS"

Translated title of the contribution: Simulation of a nanoindentation in a idealized model ('staggered-model') of a biological material (bone, dentin, nacre,...) using the FEM-package "ABAQUS"

Florian Mayer

Chair of Materials Physics (430)

Research output: Thesis › Diploma Thesis

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Abstract

The present work deals with a nanoindentation simulation of a composite material corresponding to the idealized model for biological materials ("staggered model"). Nanoindentation is a kind of a hardness test comparable to Rockwell but on a nanometer scale and with a three-sided Berkovich pyramid. It is determining the load-displacement-curve. Such curves can be used to determine the hardness and the Indentation modulus of a material. In case of bone applications this characteristic values are reference material properties to evaluate the bone quality. The FEM package ABAQUS was used to examine the stress field under the Indenter tip. Moreover, the package was utilised to determine the hardness and the Indentation modulus according to Oliver/Pharr and to compare the calculated results with the literature existing data. Different method routes and programme adaptations have been followed to ensure results reliability. As shown in the present work the present resources are not sufficient to get comparable meaningful simulation results by using the program package ABAQUS for the chosen material data.

Translated title of the contribution	Simulation of a nanoindentation in a idealized model ('staggered-model') of a biological material (bone, dentin, nacre,...) using the FEM-package "ABAQUS"
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Supervisors/Advisors	Jäger, Ingomar, Supervisor (internal)
Award date	30 Mar 2007
Publication status	Published - 2007

Bibliographical note

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Keywords

Simulation Finite Element Methode (FEM) ABAQUS Nanoindentation Indentation modulus load-displacement-curve Oliver/Pharr staggered model bone bio material composit material C++
source code C++
mesh generation

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@phdthesis{7437ee50ecd64e5d965f55ce50787fb8,

title = "Simulation einer Nanoindentation in das idealisierte Modell ('staggered-model'=gestaffelt aufgebautes Modell) eines biologischen Materials (Knochen, Dentin, Perlmutt,...) mit Hilfe des FEM-Paketes {"}ABAQUS{"}",

abstract = "Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Simulation einer Nanoindentation in einen Verbundwerkstoff, dessen Aufbau dem idealisierten Modell f{\"u}r biologische Materialien (staggered model) entspricht. Eine Nanoindentation ist eine H{\"a}rteeindruckmessung vergleichbar dem Verfahren nach Rockwell jedoch im Bereich von Nanometern meist mit einer dreiseitigen Berkovich-Pyramide zur Bestimmung einer Kraft-Eindringtiefen-Kurve. Mittels solcher Kurven kann die H{\"a}rte sowie der Indentationsmodul eines Materials ermittelt werden, welche im Falle eines Knochens Vergleichs-Materialkennwerte zur Beurteilung der Knochenqualit{\"a}t darstellen. Ziel der Arbeit ist es, neben der Untersuchung des Spannungsfeldes unter der Indenterspitze mit Hilfe des FEM-Paketes ABAQUS, die H{\"a}rte sowie den Indentationsmodul laut Oliver / Pharr zu ermitteln und diesen mit vorliegenden Messergebnissen bzw. Literaturdaten zu vergleichen. Es werden unterschiedliche Verfahrensrouten und Programmadaptierungen verwendet um ein optimales Vergleichsergebnis zu gew{\"a}hrleisten. Wie gezeigt wird, lassen sich mit den zur Verf{\"u}gung stehenden Ressourcen mittels des Programmpakets ABAQUS f{\"u}r die gew{\"a}hlten Materialdaten derzeit noch keine aussagekr{\"a}ftigen Simulationsergebnisse erhalten.",

keywords = "Simulation Finite Element Methode (FEM) ABAQUS Nanoindentation Indentationsmodul Eindringversuch Kraft-Eindringtiefen-Kurve Oliver/Pharr staggered Model Knochen Biomaterials Verbundmaterial C++, Quellcode C++, Netzgenerierung, Simulation Finite Element Methode (FEM) ABAQUS Nanoindentation Indentation modulus load-displacement-curve Oliver/Pharr staggered model bone bio material composit material C++, source code C++, mesh generation",

author = "Florian Mayer",

note = "gesperrt bis null",

year = "2007",

language = "Deutsch",

type = "Diploma Thesis",

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TY - THES

T1 - Simulation einer Nanoindentation in das idealisierte Modell ('staggered-model'=gestaffelt aufgebautes Modell) eines biologischen Materials (Knochen, Dentin, Perlmutt,...) mit Hilfe des FEM-Paketes "ABAQUS"

AU - Mayer, Florian

N1 - gesperrt bis null

PY - 2007

Y1 - 2007

N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation einer Nanoindentation in einen Verbundwerkstoff, dessen Aufbau dem idealisierten Modell für biologische Materialien (staggered model) entspricht. Eine Nanoindentation ist eine Härteeindruckmessung vergleichbar dem Verfahren nach Rockwell jedoch im Bereich von Nanometern meist mit einer dreiseitigen Berkovich-Pyramide zur Bestimmung einer Kraft-Eindringtiefen-Kurve. Mittels solcher Kurven kann die Härte sowie der Indentationsmodul eines Materials ermittelt werden, welche im Falle eines Knochens Vergleichs-Materialkennwerte zur Beurteilung der Knochenqualität darstellen. Ziel der Arbeit ist es, neben der Untersuchung des Spannungsfeldes unter der Indenterspitze mit Hilfe des FEM-Paketes ABAQUS, die Härte sowie den Indentationsmodul laut Oliver / Pharr zu ermitteln und diesen mit vorliegenden Messergebnissen bzw. Literaturdaten zu vergleichen. Es werden unterschiedliche Verfahrensrouten und Programmadaptierungen verwendet um ein optimales Vergleichsergebnis zu gewährleisten. Wie gezeigt wird, lassen sich mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen mittels des Programmpakets ABAQUS für die gewählten Materialdaten derzeit noch keine aussagekräftigen Simulationsergebnisse erhalten.

AB - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation einer Nanoindentation in einen Verbundwerkstoff, dessen Aufbau dem idealisierten Modell für biologische Materialien (staggered model) entspricht. Eine Nanoindentation ist eine Härteeindruckmessung vergleichbar dem Verfahren nach Rockwell jedoch im Bereich von Nanometern meist mit einer dreiseitigen Berkovich-Pyramide zur Bestimmung einer Kraft-Eindringtiefen-Kurve. Mittels solcher Kurven kann die Härte sowie der Indentationsmodul eines Materials ermittelt werden, welche im Falle eines Knochens Vergleichs-Materialkennwerte zur Beurteilung der Knochenqualität darstellen. Ziel der Arbeit ist es, neben der Untersuchung des Spannungsfeldes unter der Indenterspitze mit Hilfe des FEM-Paketes ABAQUS, die Härte sowie den Indentationsmodul laut Oliver / Pharr zu ermitteln und diesen mit vorliegenden Messergebnissen bzw. Literaturdaten zu vergleichen. Es werden unterschiedliche Verfahrensrouten und Programmadaptierungen verwendet um ein optimales Vergleichsergebnis zu gewährleisten. Wie gezeigt wird, lassen sich mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen mittels des Programmpakets ABAQUS für die gewählten Materialdaten derzeit noch keine aussagekräftigen Simulationsergebnisse erhalten.

KW - Simulation Finite Element Methode (FEM) ABAQUS Nanoindentation Indentationsmodul Eindringversuch Kraft-Eindringtiefen-Kurve Oliver/Pharr staggered Model Knochen Biomaterials Verbundmaterial C++

KW - Quellcode C++

KW - Netzgenerierung

KW - Simulation Finite Element Methode (FEM) ABAQUS Nanoindentation Indentation modulus load-displacement-curve Oliver/Pharr staggered model bone bio material composit material C++

KW - source code C++

KW - mesh generation

M3 - Diplomarbeit

ER -