Durchgängige Analyse und Bewertung fertigungsbedingter Faserfehlorientierungen in dickwandigen Faser-Kunststoff-Verbundstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maik Gude
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428328210

Zur Steigerung der Einsatzmöglichkeiten von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) in mechanisch hoch beanspruchten Strukturbauteilen ist die Fertigung dickwandiger mehrschichtiger Laminate notwendig. Für die effiziente Herstellung dickwandiger FKV-Bauteile eignet sich die Flechttechnik und das Hochdruck-Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (HD-RTM). Die Stapelung einer großen Anzahl textiler Verstärkungslagen, die hohen Infiltrationsdrücke beim HD-RTM-Verfahren und Aushärteeffekte des polymeren Matrixmaterials führen oftmals zu fertigungsbedingten Faserfehlorientierungen. Diese prägen sich hauptsächlich in der Laminatebene aus, werden mit ansteigender Laminatdicke aber auch in der Laminatdickenrichtung prägnanter. Faserfehlorientierungen werden pauschal als Ausgangspunkt für die dokumentierten überproportionalen Degradationen der quasi-statischen in-plane Druckfestigkeiten mit zunehmender Laminatdicke angesehen.Die Phänomene, die zur Bildung von Faserfehlorientierungen in dickwandigen FKV-Strukturen führen, sollen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens am Beispiel einer generischen Prüfstruktur aus Glas-fasern und Polyurethanharz detektiert, analysiert und bewertet werden. Die sequentiell ablaufenden Fertigungsschritte vom Einlegen der trockenen Preform in das Infiltrationswerkzeug, über die Hochdruckinfiltration bis zur Aushärtung werden dazu mit Hilfe der Computertomographie und weiteren ZfP-Verfahren untersucht und mittels eines digitalen Zwillings modelliert. Bei dickwandigen Verbundstrukturen nimmt das Tränkungsverhalten eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Verbundimperfektionen ein. So wird im Rahmen des geplanten Vorhabens insbesondere das Tränkungsverhalten dickwandiger Geflechtstrukturen in Dickenrichtung mit einem neuartigen Prüfverfahren charakterisiert. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen dienen als Grundlage zur Weiterentwicklung von Modellierungsansätzen, die mithilfe repräsentativer Volumenelemente das richtungsabhängige Tränkungsverhalten beschreiben.Aus der Analyse der Druckverhältnisse während der Tränkung ergeben sich Aufschlüsse zur Phänomenologie der Entstehung der Faserfehlorientierungen. Die Auswirkungen der erfassten Phänomene lassen sich durch umfassende thermo-mechanische Untersuchungen unter quasi-statischen und zyklischen, uni- und multiaxialen Belastungen bewerten. Durch die synergetische Kombination von online-Prozessüberwachung, Strukturaufklärung sowie von Werkstoff- und Strukturversuchen lassen sich Grundlagen für nachfolgende Arbeiten zur Prozesssimulation sowie Prozessführungsstrategien hinsichtlich geringerer Verbundimperfektionen ableiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen