Analyse der Korrelation zwischen dem Ermüdungsverhalten Remote-Lasergeschnittener Faserkunststoffverbunde und der Prozessführung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Kästner; Professorin Dr.-Ing. Martina Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 372786314

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt erfolgten umfassende Untersuchungen des Remote-Laserschneidprozesses von Faserkunststoffverbunden, der dabei verursachten thermisch induzierten Schädigung und deren Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der geschnittenen Strukturen. Ein Schwerpunkt war dabei die systematische Analyse des Schneidprozesses, des Einflusses der verschiedenen Prozessparameter durch Schneidversuche und die Untersuchung der Wärmeeinflusszone mit Schliffbildern, Computertomografie und Rasterelektronenmikroskopaufnahmen sowie Simulationen. Für die Analyse der mechanischen Eigenschaften wurden die Eigenschaften von thermisch ungeschädigten Proben mit lasergeschnittenen Proben mit variierter Schädigungsintensität in quasistatischen und zyklischen Versuchen verglichen. Dazu wurden gelochte Proben verwendet, bei denen die maximale Beanspruchung durch den Kerbeffekt im Bereich der Wärmeeinflusszone um das Loch auftritt. Durch Variation weiterer Parameter wie dem Lagenaufbau und der Kerbgeometrie sowie Laststeigerungsversuchen und der Untersuchung chemisch gealterter Proben erfolgte eine systematische Erweiterung der Analysen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass remote-lasergeschnittene Proben im Vergleich zu gefrästen und CO2-lasergeschnittenen Proben eine höhere Festigkeit aufweisen. Dies konnte auf eine reduzierte Kerbwirkung am Lochrand aufgrund der begrenzten Wärmeeinflusszone zurückgeführt werden. Um den Schneidprozess, die thermisch induzierte Schädigung und das mechanische Verhalten der lasergeschnittenen Proben in einer geschlossenen Prozess-Struktur-Eigenschafts- Kette numerisch untersuchen zu können, wurden ein physikalisch basiertes Schneidprozessmodell, ein Materialmodell für die mechanischen Eigenschaften des thermisch geschädigten Materials und ein Modell für die Ermüdung des Faserkunststoffverbunds entwickelt. Die Verwendung dieser Modelle erlaubt eine schnelle Anpassung auf neue Prozess- und Materialkonfigurationen ohne neue experimentelle Untersuchungen zur Parametrisierung durchführen zu müssen. Damit wird eine Vorhersage für bisher unbekannte Konfigurationen ermöglicht. Mit dem entwickelten Schneidprozessmodell wurde erstmals ein dreidimensionales Modell mit Berücksichtigung des Laserstrahls zur direkten Abbildung des Materialabtrags faserverstärkter Kunststoffe vorgestellt. Die im Forschungsprojekt gewonnenen Erkenntnisse wurden durch Veröffentlichungen und Vorträge auf nationalen und internationalen Konferenzen einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt. In dem Projekt erfolgte erstmals eine grundlegende Untersuchung des Schneidprozesses mit einem besonderen Fokus auf die mechanischen Eigenschaften der geschnittenen Strukturen, was durch die effektive Kombination und gegenseitige Ergänzung von experimentellen Untersuchungen und numerischen Simulationen ermöglicht wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Die kapazitive Wechselstrommessung zur Werkstoffcharakterisierung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe. Tagung Werkstoffprüfung 2019 Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand. Sankt Augstein, Inventum GmbH, 349-354, 2019. ISBN 978-3-88355-418-1
  Rose, M.; Pschan, N.; Zimmer, O.; Nimsch, U.; Ostwaldt, A.; Träger, P. & Zimmermann, M.
  
• Influence of the edge quality to the water sorption of remote laser and mechanically cut carbon fibre reinforced polymer. 4th International MERGE Technologies Conference, IMTC 2019. - Chemnitz: MERGE, 34-41. 2019. ISSN 2512-4587
  Rose, M.; Mickan, A.; Hauptmann, J.; Wetzig, A. & Zimmermann, M.
  
• Numerical analysis of the thermally induced damage in remote laser cut carbon fibre reinforced polymers. PAMM, 19(1).
  Schmidt, Benjamin; Rose, Michael; Zimmermann, Martina & Kästner, Markus
  
• Numerical and experimental analysis of the thermally induced damage in remote laser cut carbon fiber reinforced polymers. Vortrag: CFRAC2019, Braunschweig, 2019.
  Schmidt, B., Rose, M., Zimmermann, M. & Kästner, M.
  
• Numerical and experimental analysis of the thermally induced damage in remote laser cut carbon fiber reinforced polymers. Vortrag: Mech-COMP2019, Lissabon, 2019
  Schmidt, B., Rose, M., Zimmermann, M. & Kästner, M.
  
• Prüfmethodik zum Schädigungsverlauf von Remote-Laser geschnittenen CFK unter zyklischer mechanischer Beanspruchung. Vortrag: 22. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Kaiserslautern, 2019
  Rose, M.; Schettler, S.; Beyer, E. & Zimmermann, M.
  
• Mechanical Properties of Remote-Laser Cut CFRP and Thermographic Laser-Process Monitoring. Materials Sciences and Applications, 11(08), 560-575.
  Rose, Michael; Schettler, Sebastian; Klemm, Florian; Beyer, Eckhard & Zimmermann, Martina
  
• Analysis of process-induced damage in remote laser cut carbon fibre reinforced polymers. Journal of Materials Processing Technology, 295, 117162.
  Schmidt, Benjamin; Rose, Michael; Zimmermann, Martina & Kästner, Markus
  
• Analysis of the remote laser cutting process induced damage in carbon fibre reinforced polymers with cutting process simulations. PAMM, 20(1).
  Schmidt, Benjamin; Rose, Michael; Zimmermann, Martina & Kästner, Markus
  
• Analysis of the remote laser cutting process induced damage in carbon fibre reinforced polymers. PAMM, 21(1).
  Schmidt, Benjamin; Husert, Markus; Rose, Michael; Zimmermann, Martina & Kästner, Markus
  
• X-ray computer tomography (XCT) of fatigue damage in laser-machined versus milled carbon fiber reinforced polymer matrix composites. Engineering Fracture Mechanics, 252, 107820.
  Rose, Michael; Niverty, Sridhar; Schmidt, Benjamin; Kästner, Markus; Zimmermann, Martina & Chawla, Nikhilesh
  
• Analysis of the remote laser cutting process of carbon fibre reinforced polymers and its influence on mechanical properties, Vortrag ECCM20, Lausanne, 2022
  Schmidt, B.; Zimmermann, M. & Kästner, M.
  
• Analysis of the remote laser cutting process of carbon fibre reinforced polymers and its influence on mechanical properties, Vortrag GAMM2022, Aachen, 2022
  Schmidt, B.; Zimmermann, M. & Kästner, M.
  
• Analysis of the remote laser cutting process induced damage in carbon fibre reinforced polymers. PAMM, 23(1).
  Schmidt, Benjamin; Husert, Markus; Hollmer, Katharina; Zimmermann, Martina & Kästner, Markus
  
• Numerical investigation of the process-structure-property relationship of remote laser cut CFRP structures, Vortrag GAMM2023, Dresden, 2023
  Schmidt, B.; Hollmer, K.; Zimmermann, M. & Kästner, M.
  
• Untersuchung des Einflusses der Kerbgeometrie auf das quasistatische und zyklische mechanische Verhalten remote-lasergeschnittener kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe. Tagung Werkstoffprüfung 2023: Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand. 216-221
  Hollmer, K.; Schmidt, B.; Kästner, M. & Zimmermann, M.
  
• Analyse und Modellierung des Remote Laser-Schneidprozesses von Strukturen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Dissertation, Dresden
  Schmidt, B.
  
• Einfluss des Remote-Laserschneidprozesses auf das mechanische Verhalten kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe in Abhängigkeit der Kerbgeometrie und Schneidparameter. Vortrag: 24. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Freiburg 2024
  Hollmer, K.; Schmidt, B.; Kästner, M. & Zimmermann, M.