Ermittlung des hydrothermischen Alterungsverhaltens endlosfaserverstärkter Thermoplaste und Entwicklung eines ultraschallbasierten Messsystems zur zerstörungsfreien Charakterisierung des Alterungszustands für die Komponentenüberwachung und Restlebenszeitprädiktion.
Polymermaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Anwendung sind Bauteile aus Faserverbundkunststoffen den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die zur Alterung der Materialien führen. Die Alterung bedingt verschiedene Änderungen der Werkstoffeigenschaften, die zu einem vorzeitigen Versagen der Bauteile führen können. Um gesicherte Aussagen über die Lebensdauer von solchen Bauteilen treffen zu können, müssen daher das Alterungsverhalten und die daraus resultierenden Eigenschaftsänderungen schon bei der Auslegung der Bauteile bekannt sein. Aufgrund der Komplexität der Alterungsvorgänge und der jeweils individuellen Belastung der Bauteile ist dies jedoch nur selten realisierbar. Um alterungsbedingte Eigenschaftsänderungen nachzuweisen, können die Bauteile einer zerstörenden Prüfung unterzogen werden. Eine präventive Instandhaltung ist dadurch nur bedingt möglich. Daher war das Ziel, ein zerstörungsfreies Prüfverfahren zu entwickeln, mit dem die umgebungsbedingte Alterung insbesondere bei faserverstärkten Kunststoffen charakterisiert werden kann. Die Entwicklung und Realisierung einer geeigneten Messmethode auf Basis von Ultraschall-Plattenwellen war daher zentraler Bestandteil des Projektes. Durch einen Laser angeregte Lamb-Wellen werden verwendet, um über die dispersiven Eigenschaften des Mediums mithilfe eines Finite-Elemente-Modells akustische Kenngrößen (Schallgeschwindigkeiten) zu bestimmen, aus denen mechanische Kenngrößen wie der Elastizitätsmodul abgeleitet werden können. Die Betrachtung unterschiedlicher Schallausbreitungsrichtungen erlaubt dabei die Parameteridentifikation für ein anisotropes Materialmodell, sodass die Kenngrößen für beliebige mechanische Belastungsrichtungen innerhalb der Plattenebene bestimmt werden können. Eine vollständige, richtungsabhängige Charakterisierung der Materialeigenschaften wird damit erstmals zerstörungsfrei möglich. Zur Validierung dieses Verfahrens und der anschließenden Charakterisierung des Alterungsverhaltens wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, bei denen verschiedene Organobleche und vergleichbare homogene Polymere einer beschleunigten künstlichen Alterung in temperiertem Wasser ausgesetzt wurden. Über die Alterungszeit wurden die sich ändernden Werkstoffeigenschaften kontinuierlich durch verschiedene Messverfahren erfasst und so der jeweilige Alterungszustand charakterisiert. Neben dem neuartigen akustischen Verfahren kamen dabei standardisierte Methoden zur Bestimmung der chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften zum Einsatz. Die ermittelten alterungsabhängigen Veränderungen des Elastizitätsmoduls weisen eine hohe qualitative Übereinstimmung zwischen dem klassischen mechanischen und dem neuartigen akustischen Messverfahren auf. Somit eignet sich das akustische Verfahren zur Detektion und zeitabhängigen Nachverfolgung alterungsbedingter Eigenschaftsänderungen, wie sie beispielsweise für die vorbeugende Instandhaltung benötigt werden. Eine quantitative Abweichung der akustisch bestimmten Werte ist auf die Anregefrequenz im Megahertz- Bereich zurückzuführen, die gemäß dem Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip eine effektive Versteifung des Materials verursacht. Ein weiterer Beitrag zu dieser Abweichung entsteht, wenn viskoelastische Effekte nicht berücksichtigt werden. Dieser ist jedoch nur für stark absorbierende homogene Polymere signifikant und kann für Organobleche i. d. R. vernachlässigt werden. Hinsichtlich des Alterungsverhaltens zeigen die Ergebnisse, dass der Einfluss der Alterung auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der unverstärkten Polymere und der Organobleche analoger Matrix prinzipiell vergleichbar ist, diese sich jedoch auf die mechanischen Eigenschaften unterschiedlich auswirken. Für Polyamid 6-basierte Materialien konnte bspw. der Molekulargewichtsverlust infolge der Hydrolysereaktion nachgewiesen werden. Bei den Organoblechen wurde deutlich, dass insbesondere die Festigkeit der in Belastungsrichtung orientierten Organobleche (0°/90°) über der Zeit signifikant abnimmt. Auch die PP-basierten Faserverbundhalbzeuge zeigten diesen Effekt, obwohl das unverstärkte PP, das prinzipiell Hydrolyse-beständig ist, keine signifikanten Änderungen der mechanischen Eigenschaften über der Alterungszeit zeigte. Der Festigkeitsverlust der Organobleche konnte daher u. a. darauf zurückgeführt werden, dass die Faser-Matrix-Haftung über der Alterungszeit ebenfalls signifikant abnimmt. Während im ungealterten Zustand die Fasern der Organobleche noch mit Polymermatrix bedeckt sind, werden die Fasern über der Alterungszeit immer weiter freigelegt. Durch die reduzierte Haftung zwischen den Fasern und der Matrix können die auftretenden Belastungen nicht mehr vollständig aufgenommen und übertragen werden, sodass die Faserkunststoffverbunde vorzeitig versagen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Inverser Ansatz zur akustischen Charakterisierung plattenförmiger Materialproben. DAGA 2017 – 43. Jahrestagung für Akustik, Kiel, 2017
S. Johannesmann; L. Claes; M. Webersen; B. Henning
- Viskoelastizität und Anisotropie von Kunststoffen. Ultraschallbasierte Methoden zur Materialparameterbestimmung. tm – Technisches Messen, Nr. 84, 2017
F. Bause; L. Claes; M. Webersen; S. Johannesmann; B. Henning
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/teme-2016-0056) - Acoustic material characterization of prestressed, plate-shaped specimens. ITG/GMA-Fachtagung “Sensoren und Messsysteme”, Nürnberg, 2018
S. Johannesmann; T. Brockschmidt; F. Rump; M. Webersen; L. Claes; B. Henning
- Akustische Charakterisierung der richtungsabhängigen elastischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe. DAGA 2018 – 44. Jahrestagung für Akustik, München, 2018
M. Webersen; S. Johannesmann; J. Düchting; L. Claes; B. Henning
- An acoustic waveguidebased approach to the complete characterization of linear elastic, orthotropic material behavior. tm – Technisches Messen, Nr. 85, 2018
S. Johannesmann; J. Düchting; M. Webersen; L. Claes; B. Henning
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/teme-2017-0132) - Characterization of the linear-acoustic material behavior of fiber-reinforced composites using Lamb waves. QNDE – 45th Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Burlington, VT (USA), 2018
S. Johannesmann; M. Webersen; J. Düchting; L. Claes; B. Henning
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5099742) - Guided ultrasonic waves for determining effective orthotropic material parameters of continuous-fiber reinforced thermoplastic plates. Ultrasonics Nr. 84, 2018
M. Webersen; S. Johannesmann; J. Düchting; L. Claes; B. Henning
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ultras.2017.10.005) - The Influence of Environmental Aging on the Material Properties of Back-Molded Composite Sheets. 34th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS), Taipei (Taiwan), 2018
E. Moritzer; M. Hüttner; J. Wächter
- The Influence of Hygrothermal Aging on the Material Properties of Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastics. 76th Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers (ANTEC), Orlando (USA), 2018
E. Moritzer; M. Hüttner
- Störeffektunterdrückung in 2D-Messdaten mittels DiscoGAN. DAGA 2019 – 45. Jahrestagung für Akustik, Rostock, 2019
S. Johannesmann; D. Springer; C. Thiel; B. Henning
