Analyse und Bewertung der Auswirkungen von Eigenspannungen auf den Schädigungsverlauf in intrinsisch gefertigten Kunststoff-Metall-Schichtverbunden unter statischer und zyklischer Last

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf; Professor Dr. Thomas Tröster
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399304816

Masseeinsparungen durch Leichtbauweisen und -werkstoffe stellen in der Automobilindustrie ein geeignetes Mittel zur Ressourcenschonung und Kraftstoffverbrauchreduzierung dar. Aufgrund gewichtsspezifisch hoher Festigkeiten und Steifigkeiten bedienen sich moderne Fahrzeugentwicklungen vermehrt glas- und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe. Neben dem solitären Einsatz dieser Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) können hybride Strukturen zur gezielten lokalen Verstärkung mechanisch hoch beanspruchter Bereiche eingesetzt werden. Eine zeit- und kosteneffiziente Fertigung von Hybriden aus Metall und FKV kann erzielt werden, wenn die Anbindung zwischen den Komponenten sowie die eigentliche Bauteilherstellung prozessintegriert in einem Arbeitsschritt erfolgen. Eine solche intrinsische Hybridisierung bietet den Vorteil, dass die zur Bauteilherstellung erforderlichen Prozessschritte insgesamt reduziert werden können. Eine wesentliche Schwachstelle solcher Werkstoffverbunde stellt dabei jedoch die Grenzfläche zwischen Metall und FKV dar, da es durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Konstituenten Faser und Metall zur Ausbildung von Eigenspannungen kommt, welche an Schnittkanten oder inneren Defekten durch Delaminationsrisse freigesetzt werden können.Im Rahmen der ersten Förderperiode des Projektes wurden Eigenspannungszustände in intrinsisch-gefügten Kunststoff-Metall-Schichtverbunden grundlegend erforscht, wobei hier insbesondere methodische Fragen zur experimentellen Eigenspannungsermittlung in Schichtverbunden im Fokus standen. Skalenübergreifende Ansätze unter Verwendung etablierter Simulationsmethoden wurden für ein tiefergreifendes Verständnis erarbeitet und eingesetzt. In der zweiten Förderphase sollen nun die Wirkungen der fertigungsbedingten Eigenspannungen auf das Bauteilverhalten unter mechanischer Beanspruchung untersucht werden. Der Schwerpunkt soll dabei auf der Analyse des Schädigungsverlaufs unter statischer und schwingender Beanspruchung liegen. Dabei sollen grundlegende Zusammenhänge zwischen Eigenspannungen, Defekten und der resultierenden Lebensdauer abgeleitet werden. Mit Blick auf die angestrebten Anwendungsfelder der hybriden Werkstoffverbunde sollen vor allem die Auswirkung einer aktiven Faservorspannung auf die Schädigungsmechanismen unter Berücksichtigung des Eigenspannungszustandes erforscht werden.Die im Projekt eingesetzten Analysemethoden werden die Aufklärung des Eigenspannungseinflusses auf das Schädigungsverhalten unter mechanischer Beanspruchung erlauben. Darüber hinaus werden die erzielten Ergebnisse zu einer Wissensbasis führen, die es nach Abschluss der Projektlaufzeit erlaubt, durch gezielte Parameterwahl bei der Herstellung ungünstige Eigenspannungszustände zu vermeiden und günstige gezielt einzustellen. Auf Basis der Untersuchungen soll somit ein zuverlässiger und sicherer Einsatz von hybriden Werkstoffverbunden in den anvisierten Anwendungsfeldern sichergestellt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen