Systematische Ermittlung der Schädigungsmechanismen von kurzfaserverstärkten Thermoplasten unter Ermüdungslasten und Entwicklung einer Methodik zur zeiteffizienten Bestimmung der High-Cycle-Fatigue-Festigkeit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Ermüdungscharakterisierung von kurzfaserverstärkten Thermoplasten (SFRT) und zielt darauf ab, zeitsparende experimentelle Methoden zur Bewertung des Ermüdungsverhaltens zu erforschen. Das anisotrope Verhalten von SFRT und verschiedene Einflussfaktoren auf die mechanischen Eigenschaften erfordern eine umfassende Untersuchung. Um den Aufwand zu reduzieren und den Auslegungsprozess zu verbessern, werden moderne Computertechniken zur Datenverarbeitung eingesetzt. Drei verschiedene Ansätze werden untersucht: die Analyse von Daten aus Ermüdungsversuchen, die Schallemissionsprüfung und die virtuelle Prüfung durch Simulation eines digitalen Zwillings. Eine einheitliche Probengeometrie wird optimiert, um den Anforderungen der verschiedenen Prüfverfahren gerecht zu werden und um zusätzlich hochauflösende röntgenmikroskopische Scans und AE-Prüfungen zu ermöglichen. Zunächst werden zyklische Zug-Zug-Versuche durchgeführt, um S-N-Diagramme zu erstellen. Proben, die nicht vor 107 Lastwechseln versagen werden mittels Röntgenmikroskopie auf beginnende Schädigungsereignisse untersucht. Weitere Ermüdungsversuche im HCF- und VHCF-Bereich liefern Daten zur Bestimmung der Steifigkeitsdegradation und der dissipativen Energie. Der Steifigkeitsabbau wird durch zwei logarithmische Kurven beschrieben, wobei die Steifigkeit in den ersten Zyklen schneller abnimmt. Die Prüfzeiten können durch eine Prüfung bis zu 105 Lastzyklen erheblich verkürzt werden. Die Steifigkeitsabnahmegeschwindigkeit wird in Abhängigkeit von der aufgebrachten Maximalspannung analysiert, und es werden charakteristische Spannungsniveaus identifiziert, mit denen sich eine Abschätzung der Bereiche „low cycle fatigue“ (LCF), „high cycle fatigue“ (HCF) und „very high cycle fatigue“ (VHCF) durchführen lässt. Die Untersuchungen des Hystereseverhaltens zeigen eine große Streuung der dissipativen Energie. Die mittlere dissipative Energie wird in Abhängigkeit von der aufgebrachten Maximalspannung analysiert und zeigt den gleichen Trend wie die Steifigkeitsabnahme und ermöglicht ebenfalls die Bestimmung der charakteristischen Spannungsniveaus. Im zweiten Teil der Experimente werden Zugversuche mit Schallemissionsanalyse durchgeführt. Die akustischen Signale werden in Restfestigkeitsversuchen untersucht. Es wird festgestellt, dass SFRT keine Ermüdungsgrenze im herkömmlichen Sinne aufweisen. Die Analyse der Schallemissionsergebnisse liefert jedoch Hinweise auf eine Dauerfestigkeitsgrenze, oberhalb derer die Schädigung rapide zunimmt. Die Untersuchungen verdeutlichen den hohen Aufwand für eine Ermüdungscharakterisierung von SFRT. Die vorgestellten zeitsparenden Methoden, basierend auf Ermüdungsversuchen, Schallemissionsprüfung und virtueller Prüfung eines digitalen Zwillings, zeigen vielversprechende Ansätze zur effizienten Bewertung des Ermüdungsverhaltens von SFRT. Die Ergebnisse bieten wertvolle Informationen für den Auslegungsprozess von SFRT-Strukturen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Determination of a Threshold for Initiation of Damage in Short Glass Fiber Reinforced Polyamide 66, 8th International Conference on Fatigue of Composites, Virtual Conference, 23. – 25.06.2021
Krummenacker, J. & Hausmann, J.
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Determination of Fatigue Damage Initiation in Short Fiber-Reinforced Thermoplastic through Acoustic Emission Analysis. Journal of Composites Science, 5(8), 221.
Krummenacker, Janna & Hausmann, Joachim
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Transfer of mechanical properties from specimens to injection molded structures under consideration of local fiber orientation. EUROMAT 2021 - Virtual Conference, 12. – 17.09.2021
Hausmann, J.; Esha, E.; Schmidt, S. & Krummenacker, J.
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Investigations on the high cycle fatigue strength of short glass fiber reinforced polyamide 66, Dissertation, Technische Universität Kaiserslautern, Juni 2022
Krummenacker, J.
