Charakterisierung laserstrahlgeschnittener kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe unter Zug-Druck- und Biege-Ermüdungsbeanspruchung zur simulationsgestützten Lebensdauerprognose

• Antragsteller: Dr.-Ing. Peter Jäschke; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436398518

Ziel der zweiten Förderphase ist die Charakterisierung des Einflusses der thermischen Schädigung beim Laserstrahlschnitt (LSS) von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) auf das Ermüdungsverhalten unter Axial- und Biegebeanspruchung und die Schädigungsevolution simulativ hinsichtlich einer Lebensdauerprognose unter Berücksichtigung aller Daten (inkl. Förderphase eins) abzubilden. Die Modellierung der CFK-Ermüdungseigenschaften unter Berücksichtigung von überlagerter LSS-bedingter Schädigung durch hohen lokalen Energieeintrag ist ein Schlüsselaspekt. Die durch Axial- und Biegebeanspruchung hervorgerufenen, voneinander abweichenden Schädigungen erschweren die Simulation der LSS-bedingten Lebensdauerreduktion und müssen für Vorhersagen bekannt sein. Erst mit Abschluss des Projekts liegt eine Basis zur Bewertung der LSS-Eignung für eine nachhaltige CFK-Bauteilbearbeitung vor. Daher stehen folgende zentrale Forschungshypothesen im Vordergrund: 1) Die Evaluierung der mechanischen Kennwerte kombiniert mit mikrostruktureller Charakterisierung der Schädigungsstadien ermöglicht die Identifizierung und Ursachenzuordnung der beanspruchungsabhängigen Schädigungsevolution in laserstrahlgeschnittenem CFK zur qualitativen und quantitativen Beschreibung des Ermüdungsverhaltens (WPT). 2) Die Eigenschaften der Laminatbestandteile können mit Schädigungsgraden, die auf den sich einstellenden Schädigungsmechanismen nach dem LSS und der mechanischen Belastung basieren, hinreichend genau für die Lebensdauervorhersage multidirektionaler Laminate abgebildet werden (LZH). Aus diesen zentralen Forschungshypothesen kann folgende übergreifende Forschungsfrage abgeleitet werden: Kann der Einfluss des LSS auf die mechanischen Ermüdungseigenschaften von multidirektionalem CFK hinreichend simuliert und modelliert werden, um eine valide Einschätzung resultierender Materialeigenschaften für eine Lebensdauerprognose zu gewährleisten? Hierzu sollen nach Fertigung definierter Probekörper die im CFK eingestellten LSS-Zustände durch Mikrostrukturuntersuchungen identifiziert und deren Einfluss in quasistatischen Versuchen an uni- und multidirektionalen-Laminaten für die initiale Modellbildung der FEM-Simulationen und dessen Validierung bestimmt werden. Begleitend werden belastungsart-, höhen- und -zeitabhängige Ermüdungseigenschaften des LSS-CFK mechanismen-basiert unter Zuhilfenahme von messtechnischer Instrumentierung und mikrostruktureller Analysen ermittelt. Dadurch sollen LSS-bedingte Versagensmechanismen, die einhergehende Schädigungsevolution und damit verbundene Grenzwerte zur zyklischen Belastbarkeit vorliegen. Als Referenz zum LSS dienen wasserstrahlgeschnittene Proben, um eine Abgrenzung der LSS-Schädigungsmechanismen zu gewährleisten. Die generierten Daten zum Ermüdungsverhalten fließen in die Aufstellung der inkrementellen Lebensdauerprognose ein und dienen zu abschließender Validierung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen