Verhinderung frühzeitiger Randdelaminationen bei schwingbeanspruchten Faserverbund-Flachproben durch gezielt eingebrachte Eigenspannungen
Kunststofftechnik
Leichtbau, Textiltechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Randeffekt von Laminaten spielt in der Faserverbund-Prüftechnik, hier insbesondere bei Ermüdungsuntersuchungen, eine große Rolle. Er ist der Grund dafür, dass die Auswertung des Spannungszustands häufig nur ungenau erfolgen kann oder als Alternative zum wesentlich aufwendigeren Rohr-Probekörper gegriffen werden muss. Mit dem hier untersuchten thermischen-mechanischen Verfahren können gezielt günstige Eigenspannungen überlagert und der Randeffekt in Laminaten wirkungsvoll eliminiert werden. Damit kann das gewünschte Versagensgeschehen im Mittenbereich des Probekörpers ohne Einflüsse vom Rand verfolgt werden. Die Erwärmung des Probekörperrands lässt sich als stationäre Wärmeleitung analysieren. Die FEM ist die Methode der Wahl, schichtenweise den Eigenspannungsaufbau sowie die Superposition aller nacheinander eingebrachten Spannungszustände zu bestimmen. Die Bewertung erfolgt auf Basis der Puck`schen Wirkebenenkriterien. Um den zu prüfenden Probekörper-Mittenbereich möglichst wenig durch den Prozess zu beeinflussen, erfolgte eine gezielte Auslegung des Vorkonditionierungszyklusses. Die FE-Spannungsanalyse ergab, dass es ausreichend ist, nur den unmittelbar von Spannungsüberhöhungen betroffenen Randbereich zu konditionieren, während die Temperatur im Mittenbereich des Probekörpers möglichst gering gehalten werden sollte. In experimentellen Untersuchungen an [0/90]s-Laminaten sind in mikroskopischen Aufnahmen des Randes nach dem Versagen des Probekörpers, im Gegensatz zu einem nicht vorkonditionierten Probekörper, keine Randdelaminationen mehr zu finden! Das maßgebliche Versagen bei [±45]s-Laminaten wird durch Zwischenfaserbrüche und nicht durch Randdelaminationen ausgelöst; dennoch ist eine Änderung des Versagens, beeinflusst durch die Vorkonditionierung am Rand, zu finden. Des Weiteren wurden spannungsoptische Untersuchungen durchgeführt, die den Einfluss der Vorkonditionierung auf den Probekörper zeigen. Summa Summarum konnte mit der Forschungsarbeit der Nachweis angetreten werden, dass es ohne übergroßen Aufwand möglich ist, einen sehr schmalen Randbereich eines Flach-Probekörpers mittels gezielt eingebrachter Eigenspannungen so zu konditionieren, dass der Randeffekt nicht mehr versagensauslösend wirken. Das Verfahren wurde auf den teilweise ähnlichen Fall der Bohrung in Laminaten übertragen. Die Vorkonditionierung der Bohrungsränder wurde ebenfalls durch eine Kontaktheizung unmittelbar um den Bohrungsrand gelöst. Ein Versagensstart am Bohrungsrand, aufgrund der dort vorliegenden Spannungsspitzen, konnte auch in diesem Fall durch die Vorkonditionierung, d.h. das gezielte Einbringen von günstigen Eigenspannungen verhindert werden. Die Änderung des Spannungszustands um die Bohrung konnte mit der spannungsoptischen Methode nachgewiesen werden. Es ist geplant, die Methode in einer englischsprachigen Zeitschrift international der Fachwelt vorzustellen. Damit verbindet sich die Erwartung, dass möglichst viele Prüflabore die Methode anwenden, modifizieren, verbessern und ihre Erfahrungen weitergeben, so dass die Methode im Bereich der Faserverbund-Prüftechnik zum Standard wird. Vertiefende Forschungsarbeiten sollten zum Thema „gezielt eingebrachte Eigenspannungen an Bohrungsausschnitten“ unternommen werden. Neben Grundlagenfragen sind Ideen und deren technologischen Umsetzungen gefragt, das Verfahren wirtschaftlich bspw. an Bolzenlöchern anzuwenden und den Nutzen detailliert zu bewerten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2015) Herausforderungen der Prüfung von Flachproben zur Ermittlung von Schwingfestigkeitswerten, SAMPE Symposium 2015, Darmstadt
Heislitz, A., Schürmann, H.
- (2016) Ein Beitrag zur Abschätzung der Lebensdauer von Faser-Kunststoff-Verbunden mit einer Erweiterung der nicht-linearen klassischen Laminattheorie - Randeffekte, Methoden, Prüfung. Diss. D17, TU Darmstadt, Shaker, Aachen
Heislitz, A.
