Basic research on intrinsically produced FRP-/metal-composites - from embedded inserts to load-bearing hybrid structures
Plastics Engineering
Production Automation and Assembly Technology
Final Report Abstract
In der zweiten Phase des Teilprojektes „Grundlagenuntersuchungen intrinsisch gefertigter FVK-/Metall- Verbunde – vom eingebetteten Insert zur lasttragenden Hybridstruktur“ des SPP1712 wurde die Möglichkeit zur intrinsischen Hybridisierung anhand eingebetteter Strukturen untersucht. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt in dem gänzlichen Entfall nachträglicher Fügeoperationen. Die numerischen und experimentellen Untersuchungen erfolgten an mehreren Varianten einer hybriden Leichtbaukonstruktion, bestehend aus einer tragenden Stahlstruktur, einem polymeren Schaumstoffkern und einem CFK Laminat. Die Varianten unterscheiden sich in ihrer Fügetechnologie zwischen CFK und Stahl. Die Referenzvariante verfügt über eine Klebeschicht auf Epoxidbasis zur Verbindung der CFK-Grundplatte und des Stahls wird als extrinsischer Hybridträger bezeichnet. Eine im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1712 entwickelte neuartige Fügung basiert auf der Integration von Stahllaschen in das CFK Laminat und wird als intrinsischer Hybridträger bezeichnet. Anhand von FE-Modellen erfolgte die numerische Betrachtung des Schädigungsverhaltens der Hybridverbundkomponenten, CFK und Schaumstoff, unter bestimmten Belastungsfällen. Mithilfe der Modellierung des Double Cantilver Beam Versuchs wird das Risswachstumsverhalten eines 16-lagigen CFK Laminats mit einer Epoxidmatrix unter schwingender Belastung untersucht. Das Simulationsergebnis konnte anhand der experimentellen Kraft-Weg- und R-Kurven validiert werden. Bis zum Punkt der Rissinitiierung wird der Verlauf der Kraft und der Energiefreisetzungsrate gut abgebildet. Wesentliche Unterschiede ergeben sich erst bei Eintritt der Rissausbreitung. Mögliche Ursachen hierfür sind makroskopische Effekte, wie Matrixrisse und das Ablösen der Faser-Matrix Grenzfläche, die zu einer Erhöhung der Energiefreisetzungsrate bei zunehmender Risslänge führen. Die experimentell durchgeführten quasistatischen 3-Punkt-Biegeversuche geben Aufschluss über die mechanischen Eigenschaften und die Schadensentwicklung der Hybridträgervarianten. Die Kraft-Weg Verläufe der Hybridträger zeigen eine deutliche Steigerung der mechanischen Perfomance des intrinsischen Trägers. Im direkten Vergleich erzielt der intrinsische Hybridträger eine 32,7 % höhere absolute und 58,1 % höhere gewichtsspezifische kraftbezogene Biegefestigkeit und absorbiert während der Prüfung bis zu 25 % mehr Energie. Die erstmalig durchgeführte anwendungsnahe Prüfung der Trägervarianten wird mithilfe von mechanischen, thermischen und korrosiven Vorschädigungsprozessen vor der eigentlichen Biegeprüfung umgesetzt. Die mechanischen Eigenschaften des extrinsischen Trägers werden primär durch die Festigkeit der Klebeschichthaftung zum Stahl bestimmt. Sie weist besonders gegen Impactschädigungen eine geringe Toleranz auf. Bei einer mechanische Schädigung mit 16 J sinkt die Kraft breits um 42 % und ruft eine vorzeitige Schadensausbreitung hervor. Die Einflüsse einer korrosiven Atmosphäre für eine Dauer von 168h verursachen eine 9,5 % geringere nötige Kraftaufbringung, um das Versagen der Klebeschicht auszulösen. Die mechanischen Eigenschaften des intrinsischen Hybridträgers werden primär durch den Rissbeginn an der Spitze der mittig integrierten Lasche bestimmt. Der Träger zeigt gegenüber einer lang andauernder Korrosionsumgebung eine bis zu 4,6 % geringere nötige Kraftaufbringung, um einen Rissbeginn im CFK Laminat hervorzurufen. Nach thermischer Zyklierung (-40 °C bis +80 °C) verbessert sich durch Nachhärteeffekte die kraftbezogene Festigkeit des intrinsischen Trägers um 2,6 %. Es wird daher vor der Nutzungsphase des intrinsischen Hybridträgers eine Temperaturbehandlung empfohlen. Innerhalb der Laststeigerungsversuche führten die aufgebrachten Lasten im Vergleich zu quasistatischen Versuchen zu keiner Eigenschaftsreduzierung der extrinsischen Bauteilvariante. Durch die längeren Belastungsdauern degradierten die mechanischen Eigenschaften in Einstufenversuchen stärker, sodass innerhalb des betrachteten Zeithorizonts von 10^6 Lastspielen ab ca. 66% der quasistatischen Vergleichskraft erstmals Schäden an der Klebschicht zu erkennen waren. Im intrinsischen Bauteil war hingegen ebenso wie in den quasi-statischen und dynamischen Versuchen auch unter den zyklischen Beanspruchungen keine Schädigung an der intrinsischen CFK/Stahl- Grenzfläche beobachtbar. Innerhalb der Laststeigerungsversuche konnte keine signifikante Reduzierung der Kraftmaxima im Vergleich zu quasi-statischen Versuchen erkannt werden. Unter der wirkenden Dauerschwingbelastung im Zuge der Einstufenversuche waren unter einem Lastniveau von Fmax = 10 kN (ca. 61 % der quasi-statischen Vergleichskraft) erstmals Laminatschäden beobachtbar. Die signifikante Degradation der mechanischen Eigenschaften des Laminats werden unter zyklischen Lasten besonders durch die Schädigungsinitiierung an der Laminatstufung begünstigt. Weitere wichtige Faktoren sind hierbei der Schädigungszustand des Stahlprofils und dessen Möglichkeiten die Last in das Laminat zu leiten. Im direkten Vergleich der Hybridträger mit unterschiedlicher Verbindungstechnologie sind für die Herstellung im RTM Verfahren für den intrinsischen Träger mehr und gleichzeitig aufwendigere Vorbereitungsschritte notwendig. In der Anwendung wird sich die Reperaturfähigkeit der integrierten CFK/Stahl Verbindung als deutlich problematischer herausstellen. Beide Trägervarianten weisen in ihrem Schadensverhalten grundsätzlich eine Anfälligkeit auf Umwelteinflüsse auf. Im mechanischen Vergleich erzielt der Träger mit integrativer Fügetechnologie höhere gewichtsspezifische kraftbezogene Biegefestigkeiten, eine geringere Anzahl an Schadensmechanismen, geringere Standardabweichungen der Kräfte bei Schadenseintritt und ein weniger schlagartiges, durch Kraftabfälle gekennzeichnetes, Versagensverhalten. Anhand der experimentellen Ergebnisse kann der intrinsische Hybridträger für Hochleistungsanwendungen empfohlen werden, bei denen die spezifische Festigkeit und die Sicherheit gegenüber den Herstellungs- und Reparaturkosten im Vordergrund stehen.
Publications
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Numerical and Experimental Investigation of Manufacturing and Performance of Metal Inserts Embedded In CFRP, Special Issue Production Engineering, 2017
Muth, M.; Schwennen, J.; Bernath, A.; Seuffert, J.; Weidenmann, K.A.; Fleischer, J.; Henning, F.
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Experimental and Numerical Study of The Influence of Integrated Load Transmission Elements on Filling Behavior In Resin Transfer Molding, Composite Structures, 2018
Magagnato, D.; Seuffert, J.; Bernath, A.; Kärger, L.; Henning, F.
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Investigation of The Damage Evolution of Metal Inserts Embedded in CFRP by Means of Computed Tomography and Acoustic Emission, Journal of Materials Science & Engineering Technology, 2018
Pottmeyer, F.; Merzkirch, M.; Schlegel, O.; Weidenmann, K.A.
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Simulating Mold Filling in Compression Resin Transfer Molding (CRTM) Using A Three-Dimensional Finite-Volume Formulation. Journal of Composites Science, 2 (2), 23, 2018
Seuffert, J.; Kärger, L.; Henning, F.
-
Structure Optimisation of Metallic Load Introduction Elements Embedded In CFRP, Production Engineering, Bd. 12, Nr. 2, S. 131–140, 2018
Gebhardt, J.; Schwennen, J.; Lorenz, F.; Fleischer, J.
-
Three point bending test on CFRP-steel profile hybrid structures. Proceedings of Euro Hybrid Materials and Structures 2018
Muth, M., Weidenmann, K.A.
-
Experimental and Numerical Study of The Spring-In of Angled Brackets Manufactured Using Different Resins and Fiber Textiles, Journal of Composite Materials, 2019
Bernath, A.; Groh, F.; Exner, W.; Hühne, C.; Henning, F.
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Investigation of the influence of mechanical predamage and deformation rate on the mechanical properties of CFRP/metal hybrid profiles. ICCM22 2019 2019:2804
Muth, M., Kohlund, A., Buch, S., Weidenmann, K.A.
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(2020). Failure Behaviour of Metal Inserts Embedded in CFRP Subsequent to Thermal, Mechanical and Cyclic Pre-Damage. Composite Structures, 111877
Muth, M., Pottmeyer, F., & Weidenmann, K. A.
