Praktische Sessions mit Testgeräten sind der ideale Weg, um Lernende mit zentralen Prinzipien des Materialverhaltens vertraut zu machen. Doch es kann schwierig sein, die Zeit jedes Schülers mit diesen Systemen zu maximieren, insbesondere wenn die Laborressourcen begrenzt sind. In einem sehr kurzen Zeitfenster müssen die Studenten in einer typischen Labor-Sitzung die Testvorbereitung durchlaufen, bevor sie die verschiedenen Modi der Materialdeformation und der Bruchreaktion beobachten können. Einen guten Test durchzuführen, erfordert einfach Zeit.
Um den Lehrenden zu helfen, die Lernergebnisse zu verbessern, bietet MTS zwei wichtige Ressourcen:
- Grundlagen des Prüfstands-Programms für Materialtests, das Unterrichtspläne und Hausaufgaben umfasst
- Simulationssoftware, damit die Studierenden virtuelle Tests durchführen und ihr Verständnis der Konzepte des Materialtests stärken können.
Diese Ressourcen ermöglichen es den Studierenden, einen virtuellen Test im Unterricht zu beobachten, virtuelle Tests in einem Computerlabor durchzuführen und tatsächliche Tests im Labor mit größerer Leichtigkeit und Effizienz durchzuführen.
Das Curriculum, entwickelt von Dr. Christoph Leser, wurde von der Vorgehensweise der Testlabore zur Problemlösung während der Produktentwicklung inspiriert. Insbesondere bringt der Ingenieurarbeitsplatz oft eine Schicht der Simulation zwischen theoretischem Design und Prototypenbau ein. Dies geschieht aus Gründen, die den Hochschullehrenden bekannt sind: Laborressourcen sind begrenzt, aber der Druck, in kürzerer Zeit mehr Tests durchzuführen – ohne die Genauigkeit zu opfern – ist hoch.
„Die Verwendung von Software zur Simulation mechanischer Tests kann die Art und Weise transformieren, wie Studierende der Materialwissenschaft lernen“, sagte Dr. Leser. „Wenn die identische grafische Benutzeroberfläche für virtuelle und physikalische Materialtests verwendet wird, verbessert sich das Verständnis jedes Studenten für die plastische Fließgrenze des Materials, die Spannungs-Dehnungs-Beziehungen, die Ermüdung, das Risswachstum und die Bruchbildung, egal ob sie im Unterricht zuschauen, selbstständig lernen oder mit einem echten Testsystem arbeiten.“
Eine Konsistenz vom Hörsaal bis ins Labor herzustellen, hilft den Kursleitern, ein integriertes virtuelles und physisches Curriculum anzubieten. Dies befähigt die Studierenden, alle Aufgaben im Zusammenhang mit der Testvorbereitung, -durchführung und Datenanalyse schneller zu bewältigen, was die Laborerfahrung effizienter macht. Ein integriertes Curriculum hilft den Studierenden auch, den Wert und die Grenzen von Modellierungsansätzen zur Beschreibung des Materialverhaltens zu verstehen und zu schätzen.
VERBINDUNG VON PHYSIKALISCHEM UND VIRTUELLEM
Für eine Diskussion über die Streckgrenze beispielsweise werden den Studierenden die Entwurf eines Kupplungsmechanismus präsentiert. Das Kupplungsglied ist ein Zweikraftglied, das einer Zugkraft von 4,5 kN ausgesetzt ist. Wenn die Kraft zu hoch ist, wird das Teil nachgeben. Die Studierenden werden gebeten, das Glied zu entwerfen, indem sie eine geeignete Breite „w“ für ein Glied wählen, das aus einer Dicke „t“ von 6 mm Stahlplatte hergestellt ist. Um das Design abzuschließen, müssen die Studierenden die Streckgrenze der Stahlplatte kennen. Der Laborabschnitt lehrt den Studenten, wie man die Streckgrenze durch Messung der Spannungs-Dehnungs-Kurve und Berechnung der Offset-Streckgrenze misst.
Die MTS TestSuite™ Software ermöglicht es den Studierenden, Tests zu definieren und durchzuführen sowie Testdaten entweder im Labor oder im Unterricht zu analysieren. Offline-Lizenzen, die die Systemsoftware des Labors replizieren, bieten den Studierenden eine Simulationsumgebung mit Software, die auf einem Laptop oder anderen nicht mit dem Testsystem verbundenen Computern geladen werden kann. Professoren können dann sowohl die physikalischen als auch die virtuellen Umgebungen nutzen, um die Lehreffizienz zu optimieren.
Die Testvorlagen der MTS TestSuite können virtuell oder mit einem internen Materialtestsystem ausgeführt werden. In beiden Fällen ist die Benutzererfahrung identisch. Die MTS TestSuite Software erleichtert den Übergang mit der Verwendung der Programmiersprache Python™, die sehr wenig Abstraktion hat und es den Studierenden erleichtert, von der Gleichung zum Testprogramm zu gelangen. Der Code wird auf die gleiche Weise geschrieben, wie eine manuelle Berechnung durchgeführt werden würde. Darüber hinaus sind aufgrund der Open-Source-Natur von Python viele verschiedene Beispielprogramme und Dokumentationen kostenlos verfügbar.
VORTEILE DER INTEGRATION
Es gibt mehrere wichtige Vorteile der Integration von Vorlesungen, Simulation und physikalischen Tests. Die Studierenden erhalten direkte Erfahrungen mit den Materialeigenschaften, die erforderlich sind, um die Entwurfsübung erfolgreich abzuschließen. Die Integration bietet auch eine direkte Veranschaulichung des Materialverhaltens, die Diskussionen über fortgeschrittene Konzepte anregt, wie zum Beispiel, warum Materialien nachgeben, was Duktilität definiert und warum einige Materialien stärker sind als andere.
Darüber hinaus werden die Studierenden mit den Details von Testmethoden, Konzepten, Verfahren und Vokabular sowie mit der Sammlung und Interpretation von Daten, der Extraktion von Materialwerten und der Identifizierung, wo empirische Ergebnisse in Analysen verwendet werden, vertraut. Mit anderen Worten, ein integriertes Curriculum bereitet die Studierenden effektiv darauf vor, reale Materialtests durchzuführen. Und sie können dies in ihrem eigenen Tempo tun.
„Alle Aspekte der Durchführung eines guten physikalischen Tests, von der Auswahl des Prüfstücks über die Ausrichtung, das Montieren, die Durchführung des Tests und die Analyse der Daten, erfordern Zeit und Erfahrung, um sie zu meistern“, sagte Dr. Leser. „Keiner dieser Aspekte ist für einen Neuling einfach. Aber mit einem integrierten Curriculum können die Studierenden all diese Schritte in einer schnelleren, einfacheren Weise in einer simulierten Umgebung üben.“
