Bei vielen technischen Geräten stoßen Stäbe aufeinander. Beim Schlagbohren, zum Beispiel, wird ein Kolben hydraulisch bzw. pneumatisch beschleunigt und trifft anschließend auf eine Bohrstange. Durch den Stoß zwischen Kolben und Bohrstange wird die kinetische Energie des Kolbens auf die Bohrstange übertragen. Diese leitet die entstehenden Spannungswellen zum Ende der Bohrstange weiter. Dort befindet sich der Bohrbit, mit dem das nachfolgende Material bearbeiten wird.

Trotz der langen Historie des Bohrens sind grundlegende Mechanismen, die zu einem effektiven Bohrprozess beitragen, noch unbekannt. Neuste Untersuchungen zum Thema Optimierung zeigen, dass die Effizienz des Bohrprozesses erhöht werden kann, wenn die in das Gestein einlaufende Spannungswelle ein gewünschtes Spannungsprofil aufweist. Diese Erkenntnis motiviert das Hauptziel des Forschungsvorhabens: Eine Methode zu entwickeln mit der die geometrische Form des Kolbens bestimmt wird, sodass jede beliebig vorgegebene Spannungsform realisiert werden kann. Es handelt sich hierbei um ein inverses Problem, da von der Wirkung (Spannungswelle nach dem Aufprall) auf die Ursache (Geometrie und Auftreffgeschwindigkeit des Kolbens) rückgeschlossen wird. Bei inversen Problemen gilt es außerdem zu klären, ob eine Lösung existiert und ob diese Lösung eindeutig ist.

Zur Validierung der theoretischen Ergebnisse wird ein Prüfstand aufgebaut, mit dem über Dehnmessstreifen (DMS) und mit einem Signalkonditionierer die entstehenden Spannungswellen nach dem Stoß gemessen werden. Mit der Hochgeschwindigkeitskamera lässt sich ermitteln, wann sich der Kolben von der Bohrstange löst. Es lassen sich außerdem interessante Phänomene darstellen. So lässt sich die theoretische Annahme, dass der Stab sich nach dem Aufprall nicht kontinuierlich, sondern in Schüben vorwärtsbewegt (siehe Bild links), validieren.

Contact: Prof. W. Seemann, J. Burgert