Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Prüfmethodik für endlosfaserverstärkte duroplastische Kunststoffe basierend auf Frequenz- und Temperatureinflüssen zur Verringerung des Prüfaufwandes für Ermüdungsprüfungen als Grundlage einer zuverlässigeren und effizienteren Auslegung von Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden in hochbeanspruchten Strukturen eingesetzt, für die entsprechend hohe Sicherheiten und Lebensdauern gefordert wer-den. Beispiele finden sich in Windenergieanlagen, der Automobilbranche oder der Luftfahrtindustrie. Lebensdauerprüfungen von faserverstärkten Kunststoffen sind je-doch zeit- und kostenintensiv, sodass für KMU hohe Barrieren entstehen, um neue Werkstoffkombinationen für strukturelle Anwendungen einzusetzen.

Zudem erreichen bereits erste Windenergieanlagen die Auslegungslebensdauer von 20 Jahren, sodass eine zügige und wirtschaftliche Methode zum Nachweis der Be-triebsfestigkeit zum Weiterbetrieb notwendig wird. Daher ist das Ziel dieses Antrages, eine Methode zu entwickeln, die den Aufwand von Lebensdauerprüfungen reduziert.

In der Literatur werden dazu verschiedene Ansätze zur Verkürzung der Prüfdauer und zur Verringerung des Prüfaufwandes diskutiert, die jedoch teilweise unzulässige An-nahmen treffen oder entscheidende werkstoffliche Effekte nicht berücksichtigen. Des-halb wird in diesem Forschungsvorhaben zunächst mit geeigneten Mitteln die Schädi-gungsentwicklung in einem FVK während der Ermüdungsprüfung analysiert und den entsprechenden Lastniveaus zugeordnet. Die Einteilung nach physikalischen Schädi-gungsmechanismen wird anhand von entsprechender Sensorik vorgenommen (akus-tische Emission, optische und mikroskopische Analysen).Mittels der Zuordnung der Ermüdungsbereiche zu den entsprechenden dominierenden Schädigungsmechanis-men können spezifische Prüfungen für unterschiedliche Dehnungsniveaus definiert werden. Damit kann die Verkürzung der Prüfdauer innerhalb dieser Methoden vorge-nommen werden und Ähnlichkeiten z. B. zwischen dem Kriechverhalten und der Be-anspruchung mit niedrigen Amplituden identifiziert werden. Als Ergebnis steht eine Methode zur Verfügung, die den KMU eine zügigere und FVK spezifische Prüfung der Lebensdauer ermöglicht. Die Methode steht den KMU damit nach Projektabschluss zur Verfügung.

Ergebniszusammenfassung:

Entwicklung einer Prüfmethodik für endlosfaserverstärkte duroplastische Kunststoffe basierend auf Frequenz- und Temperatureinflüssen zur Verringerung des Prüfaufwandes für Ermüdungsprüfungen als Grundlage einer zuverlässigeren und effizienteren Auslegung von Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen.

• Eine Reduktion des Prüfumfanges durch eine Senkung der zu testenden Prüfkörper erweist sich nur dann als möglich, wenn eine hohe Qualität der Prüfkörper vorhanden ist. In diesem Forschungsvorhaben wurde explizit die Mindestanzahl von drei Prüfkörpern definiert. Die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Methode hängt stark von der Qualität der Probekörper sowie der Anzahl der Versuchspunkte ab.

• Aus den Ergebnissen der quasistatischen Zugversuche mit begleitender SEA kann keine eindeutige Mikroschädigungsgrenze abgeleitet werden. Sowohl bei faserparalleler als auch bei fasersenkrechter Beanspruchung zeigte die SEA, dass die Schädigung kurz vor oder zum Zeitpunkt der maximalen Zugfestigkeit auftrat. Zusätzlich zeigten die Ergebnisse der dynamisch-zyklischen Ermüdungsversuche bei 5 Hz und 85% der UTS, dass der Kurzzeitfestigkeitsbericht (bis zu 103 Lastzyklen) nicht eindeutig durch die QS-Zugversuche abgedeckt werden konnte.

• Es wurde festgestellt, dass die zyklische dynamische Schwingprüfung bei 15 Hz und Temperaturführung eine ähnliche Versagenszeit erreicht wie bei 5 Hz. Es kann daher nicht von einer Verkürzung der Dauer der Prüfung gesprochen werden. Andererseits bedeutet das, dass die Proben bei 15 Hz einer hohen Anzahl von Zyklen standhalten.

• Durch die Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt ist es nun möglich, mit der SIM den Langzeitfestigkeitsbereich bei fasersenkrechter Belastung in weniger als 24 Stunden zu charakterisieren. Die Genauigkeit der erhaltenen Masterkurve hängt jedoch stark von der Qualität der Probe ab. Bei faserparalleler Beanspruchung erwies sich die SIM wegen der nicht erkennbaren Kriechverformung des Werkstoffs als nicht anwendbar.