Numerische und experimentelle Untersuchung der Betriebsfestigkeit von geschweißten thermoplastischen FKV-Strukturen unter Berücksichtigung von Eigenspannungen (FASTHER)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sebastian Heimbs, seit 9/2022
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470592126

Faserverbundstrukturen mit thermoplastischer Matrix bieten im Vergleich zu Komponenten mit duromeren Systemen einige Vorteile. So ergibt sich bei thermoplastischen Strukturen die Möglichkeit zur Anwendung von Schweißverfahren, welche ein werkstoffgerechtes Fügen gewährleisten und gleichzeitig Gewichtseinsparungen im Vergleich zu mechanischen Fügungen wie Nietverbindungen ermöglichen. Insbesondere das Widerstandsschweißverfahren zählt zu den vielversprechendsten Varianten. Der Prozess wurde, wie aus dem Stand der Forschung hervorgeht, sowohl experimentell als auch numerisch charakterisiert und ebenso die mecha-nischen Eigenschaften der Fügung in gewissem Maße untersucht. Jedoch ergibt sich weiterhin erheblicher Forschungsbedarf in der Untersuchung des Ermüdungsschädigungsverhaltens sowie des Einflusses des Schweißprozesses hinsichtlich einer Vorschädigung des Materials. Hier konnten in eigenen Vorarbeiten erste Erkenntnisse zu resultierenden Eigenspannungen gewonnen werden. Das Gesamtziel des Vorhabens besteht somit in der Erforschung des Schädigungsverhaltens von geschweißten thermoplastischen FKV-Strukturen hinsichtlich zyklischer Belastung unter Berücksichtigung von Eigenspannungen und Übertragung der Kenntnisse in ein erweitertes Berechnungsmodell.Hierzu werden zunächst experimentelle Untersuchungen zum Ermüdungsschädigungsverhalten in Form von Wöhlerversuchen durchgeführt und der Schädigungszustand erfasst. Dies geschieht durch Messung der Steifigkeitsdegradation mithilfe faseroptischer Sensoren sowie Raster-elektronenmikroskop (REM) -Aufnahmen zur qualitativen Bewertung der Schädigung.Darauf aufbauend besteht ein Teilziel darin, ein Verfahren zur kumulativen Lebensdauer-vorhersage von geschweißten kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Leichtbaustrukturen mittels der Finiten-Elemente-Methode (FEM) zu entwickeln. Im Zuge dessen wird ein Materialmodell entwickelt und erforscht, welches die physikalischen Phänomene während zyklischer Belastung mit dem Schädigungsfortschritt in Verbindung setzt. Hierdurch kann ein erheblicher Beitrag zur Schließung der Forschungslücke im Bereich der rechnerischen Beschreibung der Betriebsfestigkeit solcher Fügungen geleistet werden.Abschließend steht die experimentelle Untersuchung der Schädigungsfortschrittsmechanismen im Mittelpunkt der Betrachtungen, welche sowohl die Validierung des erstellten Modells als auch die messtechnische Erfassung der Eigenspannungen mithilfe faseroptischer Sensoren umfasst. Hier ist insbesondere zu erforschen, inwieweit die Eigenspannungen durch die Rayleigh-Sensorik erfasst und in Verbindung mit dem Schädigungsfortschritt gesetzt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Carsten Schmidt
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Horst, bis 8/2022