Experimentell-numerischer Ansatz zur Detektion fertigungs- und lastinduzierter Schäden in Faser-Metall-Laminaten anhand des veränderten Schwingungs- und Dämpfungsverhaltens

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Luise Kärger; Dr.-Ing. Wilfried Liebig
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555131611

Mit Faser-Metall-Laminaten lassen sich die Vorteile von Metallen und faserverstärkten Kunststoffen kombinieren, sodass die mechanischen Eigenschaften der monolithisch vorliegenden Werkstoffe übertroffen werden können. Insbesondere sind hier die höhere spezifische Festigkeit und die höhere Dauerfestigkeit anzuführen. Gegenüber monolithischen Metallwerkstoffen weisen Faser-Metall-Laminaten eine höhere Bruchzähigkeit und Schädigungstoleranz auf, weshalb diese Werkstoffe unter anderem in der Luftfahrt Einzug erhielten. Jedoch ist insbesondere dort das Vorhandensein von Defekten im Material kritisch. Zu unterscheiden sind hier fertigungs- und lastinduzierte Defekte, die beide das mechanische Verhalten beeinflussen und somit die Weiterverwendung eines Bauteils bestimmen können. Die zerstörungsfreie Erkennung solcher Defekte geschieht in der Praxis oft mittels Ultraschallverfahren, wobei diese aufgrund der vielen Grenzflächen in Faser-Metall-Laminaten in ihrer Anwendbarkeit beschränkt sind. Im Bereich der herkömmlichen faserverstärkten Kunststoffe existieren Ansätze, auftretende Defekte über das veränderte Schwingungs- und Dämpfungsverhalten zu erkennen und zu bewerten. Im Rahmen des hier beantragten Projekts soll eine experimentell-numerische Methodik entwickelt werden, die die in Faser-Metall-Laminaten auftretenden fertigungs- und lastinduzierten Defekte ebenfalls anhand des veränderten Schwingungs- und Dämpfungsverhaltens erkennt. Neben der Materialherstellung und grundlegenden Modellierung des ungeschädigten Materialverhaltens steht insbesondere die Charakterisierung und Modellierung der betrachteten Schäden im Vordergrund. Validierte parametrisierte Modelle von divers geschädigten Faser-Metall-Laminaten bieten somit die Möglichkeit, den Einfluss einzelner Schädigungskennwerte auf das Schwingungs- und Dämpfungsverhalten wie Eigenfrequenzen, modale Dämpfung und Modenform zu ermitteln. Ein künstliches neuronales Netz wird in Folge mit einem durch eine Vielzahl von Simulationen erzeugten Datensatz trainiert, um eben die Ursachen dieser Einflüsse vorhersagen zu können. Die Vorhersagegüte wird experimentell anhand bislang nicht betrachteter Schädigungskonfigurationen validiert. Weitere Herausforderungen ergeben sich aus der Ermittlung kritischer Schädigungsausmaße, die mit der hier zu entwickelnden Methode gerade noch oder nicht mehr erkannt werden können. Das hier an zweidimensionalen Plattengeometrien entwickelte Vorgehen kann in einem Folgeprojekt auf dreidimensionale Strukturen übertragen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen