Charakterisierung und Modellierung der beanspruchungs- und lastspielzahlabhängigen Eigenspannungsentwicklung und Schädigungsevolution elektrisch leitfähiger Faser-Metall-Laminate mit prozessbasierten Eigenspannungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Hausmann; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541803764

Ziel des Vorhabens ist die quantitative Ermittlung des Eigenspannungs-Einflusses auf das Ermüdungsverhalten von Faser-Metall-Laminaten bestehend aus Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Dafür werden durch den Fertigungsprozess oder mechanische Nachbehandlung definierte Eigenspannungszustände in Probekörpern eingestellt, um die verschiedenen Eigenspannungszustände mit den mechanischen Eigenschaften zu korrelieren. Die Entwicklung der Eigenspannungen wird während des Ermüdungsprozesses durch spezielle messtechnische Instrumentierung zur in situ Erfassung charakteristischer Materialkennwerte protokolliert und für die begleitende Entwicklung von Versagensmodellen zur Vorhersage der Lebensdauer in Abhängigkeit der Eigenspannungen interpretiert. Berücksichtigte Einflussfaktoren sind die Art (Zug/Druck) und Höhe der Eigenspannungen, die während der Beanspruchung herrschende zyklische Zugschwellbeanspruchung und Umgebungstemperatur. Die Modellentwicklung wird durch stetige experimentelle Validierung begleitet, sowohl in Bezug auf die Berechnung, Beeinflussung, Messung und Entwicklung der Eigenspannungen, als auch auf die Vorhersage und experimentelle Bestimmung der Schädigungsmechanismen und Lebensdauer. Ziel ist die Erlangung eines erweiterten Prozess-Struktur-Eigenschafts-Verständnisses, das für eine maßgeschneiderte Auslegung von Faser-Metall-Laminaten notwendig ist. Aus dem Stand der Technik und den Vorarbeiten ergeben sich zentrale Forschungshypothesen: • Abhängig von der Aushärtetemperatur entstehen thermische ES. • Thermische ES beeinflussen die Ermüdungslebensdauer und -schädigung. • Während zyklischer Belastung können sich thermische ES ändern. • Kriechen und Relaxation der Matrix spielen aufgrund der Fasern und dem Metall eine untergeordnete Rolle bzgl. der ES-Entwicklung in Faserrichtung. Hieraus werden folgende Forschungsziele formuliert: • Einstellung unterschiedlicher thermischer ESZ in FML durch modifizierte Fertigungsprozessabläufe und mechanische Nachbehandlungen unter Sicherstellung vergleichbarer Matrix-Aushärtegrade und -eigenschaften. • Messung und Beschreibung thermischer ES im initialen Zustand und deren Verlauf während zyklischer Belastungen. Aufstellung modellbasierter Prognosen des FML Schädigungsverhaltens abhängig von thermischen ES und deren Verlauf. • Herstellung des Zusammenhangs zwischen thermischen ES und Ermüdungslebensdauer anhand analytischer Beschreibung. Aufbauend auf den Ergebnissen der ermittelten Prozess-Struktur-Eigenschaft- Zusammenhänge aus der 1. Förderphase soll in der 2. Förderphase ein signifikant erweiterter Kenntnisstand erzielt werden. Dies umfasst Erkenntnisse zu materiell und strukturell abweichenden Faser-Metall-Laminaten sowie die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens bis in den Bereich sehr hoher Lastspielzahlen, sodass eine Basis zur praxisnahen, optimierten Laminatfertigung abgeleitet werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen