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Ausgewählte Ausgabe: 05-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Blick in belastete Composite-Bauteile

Auf die zunehmende Rolle von faserverstärkten Kunststoffen (FVKs) in der Industrie muss mittlerweile nicht mehr extra eingegangen werden. Megatrends wie der Leichtbau oder die Elektromobilität sowie auch viele alltägliche Lebensbereiche wie Sport und Freizeit wären ohne polymere Verbundwerkstoffe undenkbar. Längst haben daher die vielseitigen Verbundwerkstoffe Einzug in alle Bereiche der Industrie gehalten und dort ihren festen Platz gefunden. Bei der Weiterentwicklung der Werkstoffe besteht aber weiterhin noch ein großes technisches, ökonomisches und ökologisches Potenzial. Nachfolgend soll nun ein sehr aussagekräftiges und neuartiges Verfahren zur Entwicklung und Optimierung des strukturellen Aufbaus von FVKs präsentiert werden. Mithilfe des vorgestellten bildgebenden Verfahrens können unter zunehmender Belastung die Zusammenhänge zwischen makroskopischen Deformationen, zugehörigen strukturellen Veränderungen im Bauteilinnern und einem möglichen Versagen analysiert werden. Gleichzeitig kann dabei die Bauteilstruktur optimiert und der Einfluss von Fehlern im Inneren des Bauteils analysiert werden.


Zur Charakterisierung und Bewertung von Materialien werden im Allgemeinen verschiedene Werkstoffkennwerte herangezogen. Allerdings ist die bloße Kenntnis der Kennzahlen in den meisten Fällen nicht ausreichend, da diese meist nur integrale oder makroskopische Angaben über die Eigenschaften vermitteln. Unterschiedliche Schichten, Materialien und Faserorientierungen in den Laminaten machen es notwendig die FVKs lokal zu betrachten. Die Röntgen-Computertomographie (CT) als bildgebendes Verfahren wird für diese Zwecke in der Materialforschung bereits erfolgreich eingesetzt. Auch im Bereich der Schadensanalyse von FVKs spielt die Computertomographie eine zunehmende Rolle. Poren, unzureichende Faserbenetzungen, Delaminationen, Faserbrüche und andere Fehler beziehungsweise Schädigungen können so prinzipiell sichtbar gemacht werden. Jedoch gibt es Einschränkungen, da sich die Schadensbilder durch elastische Verformung nach dem Schadensereignis oder im Rahmen einer zerstörenden Prüfung verändern und so oftmals nicht mehr erkennbar sind oder keine Aussage mehr zum genaueren Hergang oder der mikrostrukturellen Ursache zulassen. Ein Beispiel: Unter Belastung bildet sich im FVK ein Riss. Nach der Entlastung schließt sich der Riss durch elastische Verformung wieder. Bei einer nachfolgenden CT-Aufnahme wäre der Riss nicht mehr zu erkennen. Um solche Probleme zu umgehen, wird die sogenannte In-Situ-CT angewendet.

Neuartige Anordnung für Biegeversuche

Bild 1 Schematische Ansicht eines Vier-Punkt-Biegeversuchs mit Verlauf des Biegemoments [3].

Bild 1
Schematische Ansicht eines Vier-Punkt-Biegeversuchs mit Verlauf des Biegemoments [3].

In-Situ-CT beschreibt ein Verfahren, das angewendet wird, um CT-Aufnahmen von Proben zu erstellen, die einer bestimmten „Situation“ (zum Beispiel mechanische, thermische Belastung, usw.) ausgesetzt sind, das heißt die mikrostrukturelle Material- oder Bauteil-Analyse in Abhängigkeit unterschiedlicher Belastungszustände. Diese neuartige Methode wird bereits von vereinzelten Forschungseinrichtungen erfolgreich genutzt. Dort beschränken sich die Versuche allerdings meist auf Zug- beziehungsweise Drucktests, bei denen die Proben nur uniaxial belastet werden. Das Fraunhofer-Anwendungszentrum CTMT hat nun diese Methode noch weiterentwickelt. Bei den Kollegen am Fraunhofer-Anwendungszentrum HOFZET in Hannover steht nun ein Gerät zur Verfügung, mit dem es möglich ist, In-Situ-CT-Aufnahmen von Vierpunkt-Biegeversuchen zu erstellen. Im Gegensatz zu In-Situ-Zugversuchen [1] werden die Proben im 4-Punkt-Biegeversuch gleichzeitig Zug- und Druckkräften ausgesetzt, wodurch ein komplexer Belastungsfall simuliert und weitreichendere Informationen über die Versagensmechanismen erfasst werden können. Die Versuche sind eng an die DIN EN ISO 14125 (Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften) angelehnt. In der Regel ist das Dreipunkt-Verfahren weiter verbreitet. Allerdings bietet das Vierpunkt-Verfahren den Vorteil, dass über einen größeren Bereich, das heißt zwischen den Druckfinnen, ein konstantes Biegemoment vorherrscht [2] (Bild 1) und so bei In-Situ-CT-Versuchen bessere Ergebnisse erzielt werden.

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Autoren

B. Eng. Simon Rettenberger

Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fraunhofer IIS

Dr. Florian Bittner

Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fraunhofer WKI

Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres

Leiter Anwendungszentrum HOFZET, Fraunhofer WKI

Prof. Dr.-Ing. Jochen Hiller

leitet das Fraunhofer Anwendungszentrum CTMT in Deggendorf

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