Untersuchungen des Verhaltens von rechteckigen Z-Pins zur translaminaren Verstärkung faserverstärkter Kunststoffe unter dynamischer Belastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard Scharr
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210369099

Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) besitzen aufgrund ihres mikrostrukturellen Aufbaus aus lasttragenden Faserwerkstoffen und der formgebenden Matrix sehr gute mechanische Eigenschaften in der Laminatebene. Ein anderes Bild zeigt sich, wenn eine Struktur aus FKV senkrecht zur Laminatebene belastet wird. Vor allem stoß- oder impactartige Belastungen führen, aufgrund der geringen Schlagzähigkeit und der damit einhergehenden Anfälligkeit für Delaminationen sowie der geringen Schadenstoleranz häufig zu Einschränkungen in Bezug auf die Resttragfähigkeit. In der Fertigung von FKV-Strukturen werden Bauteile häufig aus vorimprägnierten Halbzeugen, sogenannten Prepregs, schichtweise aufgebaut. Die einzige und bereits bewährte Möglichkeit diese hinsichtlich Schlagzähigkeit, Delaminationsverhalten und Schadenstoleranz zu verbessern ist das sogenannte z-Pinning-Verfahren, bei dem dünne Pins vor dem Aushärten in z-Richtung in das Bauteil eingebracht werden. Z-Pins sind nadelförmige, zumeist runde Stäbe mit Durchmessern von typischerweise 0,1...1,0 mm. Zahlreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass das z-Pinning eine sehr effektive Methode darstellt, impactgefährdete Strukturen gezielt zu verstärken. Das Ziel des Vorhabens ist die Untersuchung von mit rechteckigen z-Pins verstärkten Faser-Kunststoff-Verbunden unter dynamischer Belastung. Das Vorhaben stellt die konsequente Fortführung des vorangegangenen Projektes zur Untersuchung von nicht kreisrunden z-Pins zur translaminaren Verstärkung faserverstärkter Kunststoffe dar. Experimentelle und numerische Untersuchungen ergaben, dass rechteckige Pins, aufgrund ihrer bei gleicher Querschnittsfläche größeren Oberfläche, besser mit dem umliegenden Werkstoff interagieren und dadurch deutlich effektiver die interlaminaren Eigenschaften verbessern sowie die Schadenstoleranz eines FKV erhöhen. Durch ihre vergleichsweise scharfen Kanten stehen rechteckige z-Pins im Verdacht Spannungsspitzen im Werkstoff zu induzieren und dadurch die Ermüdungsfestigkeit gegenüber mit runden Pins verstärkten Strukturen herabzusetzen. Mithilfe von experimentellen Untersuchungen und einer FE-Analyse sollen Aussagen darüber getroffen werden, ob sich die positiven Ergebnisse aus dem vorangegangenen Projekt auf dynamische Beanspruchungen übertragen lassen, ob und wie stark sich die Pingeometrie auf die Ermüdungsfestigkeit einer Struktur auswirkt und welche Pingeometrie im Hinblick auf die genannten Problemstellungen eine optimale Lösung darstellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen