Herstellung, Prüfung und Modellierung neuartiger hybrider Aluminiumschaum-CFK Sandwichverbunde mit verbesserten Impacteigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Elsner (†)
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261936349

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Sandwichverbunde sind für Anwendungen in Strukturbauteilen, die bei Biegebelastung eine möglichst geringe Bauteilmasse benötigen, ideal geeignet. Hierbei sind vor allem Werkstoffkombinationen mit steifen Deckschichten und einem möglichst leichten Kern zu bevorzugen. Im praktischen Einsatz eines Sandwichverbunds treten außer der Biegebeanspruchung oft auch weitere Lastfälle auf, die beispielsweise lokale Indentation bewirken. Die hybride Kombination von CFK-Deckschichten mit einem leichten Aluminiumschaumkern ist aus diesen Gesichtspunkten vielversprechend. Das Herstellverfahren mittels Polyurethan-Sprühprozess ermöglicht hierbei eine automatisierte, einschrittige Produktion, welche die Herstellung der Deckschichten und deren Verbindung mit der Kernstruktur vereint. Ziel dieses Projektes war, Sandwichverbunde aus den beschriebenen Komponenten CFK und Aluminiumschaum möglichst optimal auszulegen und mittels PUR-Sprühprozess herzustellen. Die Sandwichverbunde wurden in Bezug auf ihre mechanischen und materialographischen Eigenschaften charakterisiert. Basierend auf diesen ermittelten Werkstoffdaten sollten die Sandwichverbunde in verschiedener Hinsicht modelliert werden, darunter vor allem auch der maßgebliche Biegelastfall in Bezug auf die effektive Dichte. Durch die Anwendung sinnvoller Kombinationen aus mechanischen und materialographischen Messverfahren wurden die Eigenschaften der Komponenten ermittelt und quantifiziert. Hierbei kamen auch zerstörungsfreie Messverfahren zum Einsatz, wie beispielsweise die Computertomographie. Diese erwies sich in Bezug auf die Geometrieermittlung im Volumen, beispielsweise für die Untersuchung der Porenstruktur der Sandwichkerne, als ideal geeignet. Es konnten detaillierte Untersuchungen des Verformungsverhaltens beispielsweise nach Impact oder Indentation vorgenommen werden. Aus den ermittelten Werkstoffeigenschaften der Komponenten wurde das Verhalten des Sandwichverbunds in relevanten Lastfällen beschrieben und analytisch modelliert. Darunter fielen beispielsweise die massespezifische Biegesteifigkeit, das Versagensverhalten unter Biegelast, aber auch anwendungsnahe, dynamische Lastfälle, die beispielsweise einen Steinschlag abbilden. Das modellierte Verhalten wurde anhand von Messungen am Sandwichverbund validiert. Das Versagensverhalten konnte für fast alle hergestellten Sandwichkonfigurationen sicher vorhergesagt werden. Die Extrapolation der Impactkräfte in Abhängigkeit der Impactgeschwindigkeit konnte erfolgreich durchgeführt werden. In einer numerischen Modellierung konnte zum einen ein Vergleich mit der analytischen Modellierung mit homogenisierten Materialdaten gezogen werden, und zum anderen ein strukturbasiertes Modell aufgebaut werden. In ersterem Fall wurden für Konfigurationen mit offenzelliger Kernstruktur Grenzen der Anwendbarkeit linear elastischer Materialmodelle für besonders leichte Schaumstrukturen beobachtet. Die strukturbasierte Modellierung konnte wiederum trotz komplexer Geometrie für die offenzellige Kernstruktur erfolgreich abgebildet werden und zeigte sehr gute Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Werten. Besonderes Augenmerk wurde auf die Auswirkungen von Korrosion auf die mechanischen Eigenschaften geworfen. Es konnte gezeigt werden, dass vor allem die Aluminiumschaumkerne durch ihre elektrische Verbindung mit den Kohlenstofffasern der Deckschicht in galvanischer Korrosion korrodieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• The interface of CFRP face sheets and aluminum foam cores in hybrid sandwich panels manufactured by a PUR spraying process: 17th European Conference on Composite Materials, Munich, Germany, 26 - 30th June 2016
  P. Rupp, F. Wafzig, und K. A. Weidenmann
  
• Failure mode maps for four-point-bending of hybrid sandwich structures with carbon fiber reinforced plastic face sheets and aluminum foam cores manufactured by a polyurethane spraying process. Journal of Sandwich Structures and Materials, 2017
  P. Rupp, P. Elsner, und K. A. Weidenmann
  
• Material Selection for CFRP-Aluminium-Foam- Sandwiches Manufactured by a PUR Spraying Process. Key Engineering Materials, 742:317–324, 2017
  P. Rupp, P. Elsner, und K. A. Weidenmann
  
• Specific bending stiffness of in-mould-assembled hybrid sandwich structures with carbon fibre reinforced polymer face sheets and aluminium foam cores man- ufactured by a polyurethane-spraying process. Journal of Sandwich Structures and Materials, 2017
  P. Rupp, P. Elsner, und K. A. Weidenmann
  
• Influence of corrosion on the mechanical properties of hybrid sandwich structures with CFRP face sheets and aluminum foam core. Composite Structures, 2018
  S. Ilinzeer, P. Rupp, und K. A. Weidenmann
  
• Low-Velocity Impact Properties of Sandwich Structures with Aluminum Foam Cores and CFRP Face Sheets. Journal of Composites Science, 2(2):24, 2018
  P. Rupp, J. Imhoff, und K. A. Weidenmann
  
• Small object low-velocity impact damage on hybrid sandwich structures with CFRP face sheets and aluminum foam cores. International Journal of Crashworthiness, 2018
  P. Rupp, P. Elsner, und K. A. Weidenmann