Methodik zur Entwicklung adaptiver beschleunigter Ermüdungsuntersuchungen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen unter Berücksichtigung der Selbsterwärmung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Balle
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 582095008

Kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe bieten eine langlebige, leichtgewichtige und recyclingfähige Alternative zu herkömmlichen Werkstoffsystemen, da sie hohe mechanische Festigkeit, Temperatur- und Schlagfestigkeit sowie eine kostengünstige Herstellung ermöglichen. Trotz ihrer überlegenen Eigenschaften sind diese Materialien anfällig für mechanische Ermüdung und es stellen sich folgende Forschungsfragen: Wie verhalten sich Verbundwerkstoffe nach 20 oder gar 30 Jahren? Wie lässt sich die Lebensdauer zur Herstellung nachhaltiger Bauteile abschätzen? Wie kann man das Ermüdungsverhalten über lange Zeiträume untersuchen? In Zusammenarbeit zwischen der Universität Freiburg (Deutschland) und der Schlesischen Technischen Universität (Polen) wird eine Methodik zur Beschleunigung von Ermüdungsuntersuchungen bei Ultraschallfrequenzen entwickelt, wodurch die Prüfdauer von Jahren auf Wochen verkürzt wird. Eine große Herausforderung bei solchen Frequenzen ist der Selbsterwärmungseffekt, der durch die viskoelastischen Eigenschaften von Faser-Kunststoffverbunden entsteht. Dieser Effekt dominiert das Materialverhalten, beschleunigt die strukturelle Degradation und verhindert einen direkten Vergleich der Ermüdungsergebnisse mit denen, die bei niedrigeren Frequenzen erzielt werden. Um dieser Herausforderung zu begegnen, untersucht das Projektteam das thermomechanische Verhalten von faserverstärkten Thermoplasten bei Ermüdung unter niedrigen und Ultraschallfrequenzen und führt dabei eine umfassende Analyse der strukturellen Degradation und der Schadensakkumulation durch. Die Untersuchungen in beiden Frequenzbereichen sollen kritische Werte der Selbsterwärmung identifizieren, die als intrinsische Werkstoffeigenschaft zur Abschätzung der Ermüdungsfestigkeit angesehen werden können. Zusätzlich wird ein Modell entwickelt, um die Ergebnisse der unterschiedlichen Beanspruchungsszenarien zu übertragen. Dieses Modell kombiniert niedrige, hohe und sehr hohe Ermüdungszyklen in einer Wöhlerkurve. Gemeinsame Voruntersuchungen konnten die prinzipielle Machbarkeit des Ansatzes nachweisen. Erklärtes Ziel ist die Implementierung einer adaptiven Ermüdungsprüfmethodik, die mit Fuzzy-Reglern arbeitet und die Validierung dieses neuen Ansatzes erlaubt. Hierdurch können Ermüdungsuntersuchungen in kürzerer Zeit und durch die Kontrolle der frequenzbedingten Selbsterwärmung der Verbundwerkstoffe zuverlässig durchgeführt werden. Ferner wird eine Methode entwickelt, um den kritischen Temperaturbereich während der Selbsterwärmung zu bestimmen, um die Ermüdungsfestigkeit einerseits abzuschätzen und den Prüfaufwand bzw. die Prüfdauer andererseits signifikant zu reduzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Partnerorganisation: Narodowe Centrum Nauki (NCN)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andrzej Katunin