Micromechanical damage detection in fibre reinforced materials using ultrasonic birefringence

• Applicants: Professor Dr. Marc Daniel Leonhard von Kreutzbruck; Professor Dr.-Ing. Peter Middendorf
• Subject Area: Measurement Systems ; Acoustics ; Plastics Engineering ; Lightweight Construction, Textile Technology ; Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2018 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 393107521

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Im vorliegenden Projekt wurden zum einen durch Untersuchungen des IKTs mittels Ultraschallscherwellen gezeigt, dass Schädigungen in Faserverbundkunststoffen detektierbar sind und die Rissinformation in einem Simulationsmodell des IFBs weiterverarbeitet werden können um die Festigkeit und Steifigkeit des geschädigten Faserverbundkunststoffs zu berechnen. Des Weiteren können mit der Ultraschalldoppelbrechung auch Informationen über den Lagenaufbau und die Lagenorientierung gewonnen werden. Um die Simulationsmethode zu validieren wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Eine große Herausforderung lag neben der Herstellung von Platten aus Prepregmaterial mit verschiedener Dicke und gleichbleibendem Faservolumengehalt vor allem in der Definition des optimalen Lagenaufbaus inkl. Lastniveau um durch zyklischer Belastung die gewünschten Mikrorisse reproduzierbar zu erzeugen. Dabei hat sich gezeigt, dass die Schadensinitiierung immer an Defekten wie bspw. Poren im Laminat auftreten. Durch den gleichbleibenden Faservolumengehalt konnten die mittels Iosipescuversuch nach ASTM D5379 ermittelten Schubmoduln direkt mit den Prüfkörpern für die Mikrorisseinbringung verglichen werden. Mithilfe von Mikroskopaufnahmen konnte ein direkter Zusammenhang zwischen Rissinitiierung und Veränderungen der Scherwellenschallgeschwindigkeit nachgewiesen werden. Eine signifikante Änderung konnte erst nach dem Auftreten von Zwischenfaserrissen gefunden werden. Zusätzlich konnte der Schubmodul bei dünnen Prüfkörpern über den Zusammenhang zwischen diesem und der Schwerwellengeschwindigkeit direkt gemessen werden. Somit konnte die Degradation von Prüfkörpern während zyklischer Belastung In-situ gemessen werden. Mittels Modellbildung über ein Ringbuffermodell können auch komplexe Reflexionsvorgänge und Doppelbrechungsphänomene simulativ nachvollzogen werden.

Publications

• Richtungsweisende Scherwellen. In: Kunststoffe (2019), Nr. 2/2019, S. 38-41
  Bernhardt Y., Essig, W. und M. Kreutzbruck
  
• Groundbreaking Ultrasound Shear Waves. In: Kunststoffe International, 2020 (4), S. 40-43
  Bernhardt, Y. und M. Kreutzbruck
  
• Materials Characterization of Fiber Reinforced Plastic Using Polarized Shear Waves, In: 48th Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Virtual Conference: July 28 – 30, 2021
  Bernhardt, Y., Kreutzbruck, M.
  
• Mikrorisscharakterisierung in Faserkunststoffverbunden mithilfe von Ultraschallscherwellen, In: Beiträge zum 27. Stuttgart Kunststoffkolloquium, Stuttgart, Germany, pp. 199 - 206, 2021
  Bernhardt, Y., Czichos, R., Dittmann, J., Middendorf, P., Kreutzbruck, M.
  
• Modellierung von Mikroschäden in glasfaserverstärkten Kunststoffen, In: Beiträge zum 27. Stuttgart Kunststoffkolloquium, Stuttgart, Germany, pp. 199 - 206, 2021
  Czichos, R., Bernhardt, Y., Dittmann, J., Middendorf, P. und Kreutzbruck, M.