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

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurde der Einfluss rechteckiger z-Pins auf das Pullout-Verhalten sowie die bruchmechanischen Eigenschaften und die mechanischen in-plane-Eigenschaften von dreidimensional verstärkten Faser-Kunststoff-Verbunden untersucht. Dabei wurden die Ergebnisse eckiger und runder z-Pins gegenübergestellt und der Einfluss von Pingeometrie, Pinausrichtung und Flächendichte auf die genannten Eigenschaften ermittelt. Die durchgeführten numerischen Untersuchungen haben gezeigt, dass sich kreisrunde und rechteckige z-Pins in ihrem Verhalten hinsichtlich der durch die Wärmeeigenspannungen in der Grenzfläche hervorgerufenen Ablösungen zwischen Pin und Laminat deutlich unterscheiden. Aufgrund des geringeren Anteils der Grenzflächenschädigungen an der gesamten Pinoberfläche, konnten in den Pullout-Untersuchungen mit rechteckigen z-Pins deutlich höhere Brückenkräfte erzielt werden. Die gesteigerten Brückenkräfte wirkten sich ebenfalls positiv auf die ermittelten bruchmechanischen Eigenschaften unter Mode-I-Rissöffnungsbeanspruchung aus. In beiden untersuchten Laminattypen konnte die kritische Energiefreisetzungsrate signifikant gesteigert werden. Aufgrund von Abriebeffekten in den Prüfkörpern zeigten sich rechteckige Pins unter schwingender Beanspruchung lediglich in quasi-isotropen Laminaten ihren kreisrunden Pendants überlegen. Unter Mode-II-Beanspruchung konnte hingegen weder unter quasi-statischer noch unter schwingender Beanspruchung ein Unterschied zwischen den Pingeometrien festgestellt werden. Bei der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften in der Laminatebene zeigte sich zudem, dass rechteckige z-Pins die in-plane-Eigenschaften deutlich geringer beeinflussen als kreisrunde Pins. Bei entsprechender Ausrichtung der rechteckigen Pins zur Faserrichtung konnten sowohl die Zugfestigkeit, als auch die Zugsteifigkeit gegenüber mit runden Pins verstärkten Prüfkörpern deutlich gesteigert werden. Unter Druckbelastung zeigten beide Pingeometrien keinen negativen Einfluss auf den E-Modul. Die Druckfestigkeit wurde hingegen analog zu den Beobachtungen unter Zugbelastung unter Verwendung rechteckiger z-Pins deutlich weniger reduziert als durch kreisrunde Pins.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2018) Mechanical properties of composite laminates reinforced with rectangular z-pins in monotonic and cyclic tension. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 109 163–170
  Hoffmann, J.; Scharr, G.
  
• (2018) Pull-out performance of rectangular z-pins in hot-cured carbon fiber reinforced laminates. Composite Structures 186 62–67
  Hoffmann, J.; Scharr, G.
  
• (2018) Pullout performance of circumferentially notched z-pins in carbon fiber reinforced laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 110 197–202
  Hoffmann, J.; Sabban, J.; Scharr
  
• (2019) Z-pin insertion process for through-thickness reinforced thermoplastic composites. Journal of Composite Materials 53 (2) 173–181
  Hoffmann, J.; Brast, A.; Scharr, G.
  
• Verbesserung der bruchmechanischen Eigenschaften von heißaushärtenden faserverstärkten Kunststoffen durch den Einsatz von rechteckigen z- Pins. Tagungsband 16. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik, Oktober 2018. 12 S.
  Hoffmann, J.; Scharr, G.; Radtke, A.