HIGH-T – Hybrides Hochleitungs-Verbindungskonzept für thermoplastische Faserverbund-T-Stöße: Verbesserte Fertigungs- und Simulationsmethoden für überlegene strukturelle Integrität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berend Denkena; Professor Dr.-Ing. Sebastian Heimbs
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576361611

Das zentrale Ziel des Forschungsvorhabens HIGH-T ist die Entwicklung eines neuartigen, hybriden Hochleistungs-Verbindungskonzepts, um die strukturelle Integrität und Schadenstoleranz von T-Stößen in thermoplastischen Faserverbundstrukturen entscheidend zu verbessern. Solche Verbindungen stellen eine kritische Schwachstelle in Leichtbaustrukturen dar, insbesondere unter Impact-Belastung. Die Verstärkung durch formschlüssige metallische Elemente ist ein bewährtes Prinzip, das in duroplastischen Systemen bereits erfolgreich zur Steigerung der Energieabsorption und zur Verhinderung von sprödem Versagen eingesetzt wird. Die Übertragung dieses Konzepts auf thermoplastische Laminate scheiterte bisher jedoch an einem fundamentalen Problem: Das nachträgliche Einbringen jeglicher z-Verstärkung in das konsolidierte thermoplastische Material führt zwangsläufig zu Faser- und Matrixschädigungen, welche die strukturelle Integrität kompromittieren. An dieser Stelle setzt das Vorhaben mit einem innovativen, interdisziplinären Ansatz an, der Fertigungstechnik und Strukturmechanik eng verzahnt. Kern des Projekts ist eine zweistufige Prozesskette, die eine vollständig schädigungsfreie Integration von metallischen Verstärkungspins ermöglicht. Hierzu wird im Thermoplastic Automated Fiber Placement (TAFP) Prozess durch eine gezielte, lokale Reduzierung der Konsolidierungsenergie die Entstehung definierter Lücken zwischen den Faserbändern gesteuert. Diese Lücken formen ein präzises Kanalmuster, das als Führung für die anschließende, kraftfreie Positionierung der Pins dient. In einem zweiten Schritt wird der Verbund final konsolidiert. Dabei schmilzt die thermoplastische Matrix auf, infiltriert die Hinterschnitte der Pins und erzeugt nach der Erstarrung eine hochfeste mechanische Verklammerung. Dieser Formschluss bewirkt eine Lastübertragung, die primär auf einer mechanischen Verriegelung statt auf reiner Adhäsion basiert. Um das volle Potenzial dieser Technologie zu erschließen, verfolgt das Projekt zwei gleichrangige Hauptziele. Das Institut für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) konzentriert sich auf die strukturmechanische Auslegung und Optimierung. Mittels fortschrittlicher, validierter Simulationsmethoden wird das komplexe Versagensverhalten analysiert, um Pin-Geometrie und -anordnung iterativ für eine maximale Ablösungsresistenz und Energieabsorption zu gestalten. Parallel dazu erforscht das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) die fertigungstechnischen Grundlagen. Hier werden die Wechselwirkungen zwischen TAFP-Prozessparametern, resultierender Laminatmorphologie und dem Fließverhalten der Matrix untersucht, um eine prozesssichere Herstellung der optimierten Verbindung zu gewährleisten. Der Erfolg des Vorhabens wird durch den Nachweis der überlegenen Leistungsfähigkeit des hybriden Verbindungskonzepts gegenüber dem Stand der Technik (rein geschweißte Verbindung) in einer abschließenden, vergleichenden Impact-Testkampagne validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Carsten Schmidt