Zur besseren Nutzung der faserparallelen Druckfestigkeit von CFK-Endlosfasern in UD-Laminaten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Thema und übergeordnetes Ziel des Forschungsprojekts war es, eine möglichst breite Wissensbasis zur Steigerung der faserparallelen Druckfestigkeit von CFK durch pultrudierte Halbzeuge zu schaffen und Erkenntnisse und Regeln für zukünftige Konstruktionen abzuleiten. Basis bildete die aus dem Leichtflugzeugbau bekannte Idee, massive Holmgurte nicht in Nasstechnik aus einzelnen Rovings aufzubauen, sondern aus pultrudierten, ausgehärteten UD-Stäbchen. Dies hat den Vorteil, dass Ondulationen beim Legen der hoch faserparallel belasteten Gurte vermieden werden. Filament-Ondulationen führen dazu, dass nur niedrige faserparallele Druckfestigkeiten erreicht werden. Grund hierfür ist das Schubknicken, das insbesondere bei Glasfaser- und Kohlenstofffaser-Verbunden zu beobachten ist. Vorversuche hatten ergeben, dass pultrudierte Stäbchen, bei denen die Filamente durch den Ziehprozess nahezu ideal ondulationsfrei ausgerichtet und beim Härten fixiert werden, eine deutliche Festigkeitssteigerung versprechen. Bekanntermaßen gilt die experimentelle Prüfung der faserparallelen Festigkeit als besonders schwierig durchzuführen. Dies liegt zum einen an der Knickgefahr, die nur sehr kurze Probekörperlängen zulässt und zum anderen an der schwierig zu gestaltendenden Krafteinleitung. Eine zusätzliche Schwierigkeit erwächst aus der kreisförmigen Probekörpergeometrie. In langwierigen Rechnungen und Versuchen ist es gelungen, eine neuartigen Prüfaufbau zu entwickeln, der es gestattet, belastbare Prüfergebnisse bis zu extrem hohen Druckspannungen zu erzielen. Im Rahmen der Vorarbeiten wurden eine Reihe von Parameter identifiziert, die die faserparallele Druckfestigkeit stark beeinflussen: Dies sind insbesondere: der relative Faservolumenenteil; der Stabdurchmesser; die Matrixsteifigkeit; der C-Fasertyp (HT-, IM-, UHM-Fasern); Herstellparameter, wie Matrixviskosität, Lufteinschlüsse. Um diese Parameter variieren zu können, musste eigens eine Pultrusionsanlage entwickelt, konstruiert, erstellt und in Betrieb genommen werden. Auf diese Weise gelang es, die entscheidenden Einflussgrößen experimentell zu überprüfen. Die Ergebnisse lassen eindeutige Aussagen zu: Der optimale rel. Faservolumenanteil liegt zwischen ϕ = 0,64 und 0,68. − Kleinere Stabdurchmesser erzielen höhere Festigkeitswerte. Bezieht man die Handhabbarkeit in die Beurteilung mit ein, so empfehlen sich Stäbe mit 3 mm Durchmesser. − Die Matrixsteifigkeit, die bei den gängigen Epoxidharzen nur geringfügig schwankt, zeigte keinen nachweisbaren Einfluss. − C-Fasern auf PAN-Basis weisen die höchsten faserparallelen Druckfestigkeiten auf; dabei schneiden die hochfesten Typen (HT) am besten ab. − Versuche zur Zugfestigkeit zeigten, dass Stäbchen nicht nur über eine ausgezeichnete Druck-, sondern auch über eine sehr hohe Zugfestigkeit verfügen. − Von hoher Bedeutung erwies sich die Pultrusionseignung des Harzsystems. Mit niedrigviskosen Harzen konnten sehr gleichmäßige Filamentverteilungen sowie Porenfreiheit eingestellt werden. Dies wirkte sich unmittelbar festigkeitssteigernd aus. Neben den Erkenntnissen, die am Einzelstab gewonnen wurden, ist es für die Konstruktion von hohem Interesse, wie ein Stabverbund rationell hergestellt wird. Ein nicht zu unterschätzender Aufwand ist die regelmäßige Stapelung der 3 mm Stäbe. Hierzu wurden verschiedene Methoden entwickelt. Die Verklebung lässt sich am sichersten über einen Harzinfusionsprozess bewerkstelligen. Die Klebfestigkeiten erreichen die Querzugfestigkeit der Stäbe. In realen Konstruktionen ändern sich die Schnittlastverläufe. Leichtbauziel muss es sein, den Querschnitt an die Höhe der Schnittkräfte anzupassen. Dies lässt sich mit Rovings nahezu stufenlos realisieren. Bei Einsatz von Stäbchen stellt sich die Frage, wie der Stabauslauf zu gestalten ist, damit das Stabende nicht versagensauslösend wird. Hierzu wurden die verschiedensten Geometrien des Stabendes sowohl numerisch simuliert als auch experimentell überprüft. Als günstigste Variante stellte sich der stark einseitig angeschrägte Stabende heraus; es weist die größte Klebfläche auf. Eine mögliche Alternative ist es, auf 30 mm des Stabendes das Harz zu verbrennen. Beim Verklebprozess wird dieser Bereich erneut mit Harz getränkt. Die Filamente lassen sich aufspreizen und ermöglichen so eine kontinuierliche Lastübertragung. Die Forschungsarbeiten haben den eindeutigen Nachweis erbracht, dass die dem Werkstoff CFK innewohnenden Festigkeiten – sowohl auf Druck, als auch auf Zug – in Form pultrudierter, dünner Stäbe nahezu vollständig nutzbar sind. Grund ist die durch die Pultrusiontechnik praktisch ondulationsfreie Filamentausrichtung. Es ist zu erwarten, dass die Stabform sich auch bei erhöhten Temperaturen und langzeitig wirkender Belastung deutlich günstiger verhält, als aus Prepreg-Bändern oder im RTM-Verfahren hergestellte, kompakte, druckbelastete UD-Strukturen. Demzufolge stünden zur Quantifizierung nun ausgiebige Prüfungen bei Langzeitbelastung und bei erhöhter Temperatur an. Beides erfordert – vor allem aufgrund des hohen Spannungsniveaus – eine aufwändige Prüftechnik. Strukturen, die von der Stäbchentechnologie profitieren könnten, finden sich bspw. in den Gurten von Biegeträgern, d.h. im Flugzeugbau oder in Windkraftrotorblättern. Auch bei Druckstäben, wie sie als Fußbodenstütze im Großflugzeugbau eingesetzt werden, könnten sie aufgrund ihrer extrem hohen Belastbarkeit zur Gewichtsersparnis beitragen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008) Faserparallele Druckfestigkeit von CFK: Verbesserungen durch Einsatz pultrudierter Stäbe. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Darmstadt
Möller C, Schürmann H
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(2009) Faserparallele Druckfestigkeit von CFK: Verbesserungen durch Einsatz pultrudierter CFK-Stäbchen. Internationale AVK-Tagung, Stuttgart
Möller C, Schürmann H
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(2009) Faserparallele Druckfestigkeit: Stand der Entwicklung bei Pultrusion verbesserter CKF-Stäbchen und Prüfung. Symposium für Segelflugzeugentwicklung, Darmstadt
Möller C, Schürmann H
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(2011) Zur Steigerung der faserparallelen Druckfestigkeit von CKF - Potenziale pultrudierter Stäbe und Konstruktionslösungen für ihren Einsatz in Strukturbauteilen. Diss. TU Darmstadt D17, Shaker Verlag, Aachen
Möller C
