Untersuchung von Maßnahmen zur Streuungsreduktion und Lebensdauersteigerung unidirektionaler Faser-Kunststoff-Verbunde
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um die Werkstoffausnutzung von unidirektional glasfaserverstärkten Kunststoffen (UD-GFK) zu steigern, wurden Grundlagenuntersuchungen an Flachproben im 3-Punkt-Biegeversuch durchgeführt. Innerhalb des durchgeführten Projekts wurden die Mechanismen des Schädigungsfortschritts tiefergehend untersucht und Einflussfaktoren auf die Streuung der Ergebnisse der Schwingfestigkeit bewertet. Folgende Einflüsse und Verbesserungemaßnahmen wurden erarbeitet: Von allen Einflussfaktoren als besonders wichtig wurde ein Einfluss der Reifezeit des Prepregs festgestellt – zwischen dem Drapieren und dem Pressen des Prepregs ist eine Mindestdauer einzuhalten, die für jedes Prepreg spezifisch zu ermitteln ist (für den verwendeten Werkstoff zwischen 85 Minuten und 16 Stunden). Die Streuung der Lebensdauer des Werkstoffs von TN ≈ 17 wurde durch die Optimierung der Faserorientierung und -ondulation im Zugrandbereich auf TN ≈ 4 reduziert. Eine weitere Reduzierung allerdings war innerhalb dieser Untersuchung nicht möglich. Die restliche Streuungsbreite ist werkstoffimmanent und nicht alleine durch die untersuchten Einflüsse und Faktoren begründet. Vielmehr stellt sie sich aufgrund lokaler Streuungen auf mikroskopischer Skala ein. Die Verwendung feinerer Rovings (1/4 des Titers) führte bei gleichem Faservolumenanteil zu einer Steigerung der Schwingfestigkeit um den Faktor 2.25. Eine weitere Maßnahme zur Steigerung war das Einbringen von Rissstopperfasern, die eine Steigerung der Schwingfestigkeit um den Faktor 1.9 mit sich brachte. In Bezug auf die Referenzproben ist durch die Kombination beider Maßnahmen eine Steigerung um den Faktor 4.9 erreichbar. Die erarbeiteten Maßnahmen zur Steigerung der faserparallelen Zug-Schwingfestigkeit lassen sich in hoch belasteten Leichtbaustrukturen, wie bspw. in Blattfedern im Automobilbau, ohne Kosten- und Fertigungsnachteile unmittelbar umsetzen. Als weiterführende Untersuchung wird empfohlen, die Verstärkungsfasern direkt mit einer rissstoppenden, zähen thermoplastischen Beschichtungen zu versehen. Es wird ein besonders großes Verbesserungspotenzial erwartet, da zum einen eine ideale Verteilung von Glasfasern und Rissstopperwerkstoff sichergestellt ist und zum anderen die Glasfasern von allen Seiten ideal gegen die Kerbwirkungen eines Risses geschützt sind. Diese Variante sollte unbedingt vertieft angegangen werden. Von Interesse ist es darüber hinaus, eine Eingrenzung der gefundenen Einflüsse, wie z.B. die Erklärung des Einflusses der Reifedauer sowie eine allgemeingültige Methodik zur Bestimmung der minimal notwendigen Reifezeit zu erarbeiten. Für eine industrielle Anwendung sollte man darauf fokussieren, die gezeigten Verbesserungsmaßnahmen direkt in den Prepregprozess zu integrieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013) Schwellende 3-Punkt-Biegeprüfung an Flachproben aus Glasfaser-Kunststoff-Verbund, DGM-Tagung Werkstoffprüfung, Neu-Ulm
Schürmann H, Feldten D
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(2014) Beitrag zur Steigerung der Werkstoffausnutzung von UD-GFK bei Biegeschwellbelastung. Shaker Verlag Aachen. Schriftenreihe Konstruktiver Leichtbau mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Zugl.: Dissertation, TU Darmstadt
Feldten D
