CFK macht den Leichtbau fit für die Zukunft

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Für die dynamische CFK-Bauteilauslegung fehlen geeignete Simulationsmodelle

CFK-Bauteile, speziell aus Hochleistungslaminaten mit unidirektionaler Faserausrichtung, werden in der Regel statisch ausgelegt. Wie die Erfahrung zeigt, kann nur dann auf den Nachweis der Bauteillebensdauer verzichtet werden, wenn die statische Grenzdehnung etwa 0.3 % beträgt. Das setzt eine hohe Werkstoffreserve voraus. Um den Leichtbau weiter voranzutreiben, muss jedoch die Werkstoffausnutzung gesteigert werden. Für diese Fälle fehlen jedoch geeignete Simulationsmodelle. Darin sieht Prof. Ralf Cuntze, Leiter der Arbeitsgruppe Engineering bei der Carbon Composites e. V. (CCeV), Augsburg, einen dringenden Forschungsbedarf. Auf der diesjährigen Fachtagung Carbon Composites zeigte er, in welche Richtung die Entwicklung von Modellierungsansätzen vorangetrieben werden muss.

Eine gesicherte Bauteildimensionierung hält Dr. Ilia Koch, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden bei CFK-Bauteilen für zwingend erforderlich. Dazu muss man das Versagens- und Schädigungsverhalten dieser Verbundwerkstoffe kennen. Nur auf dieser Basis lasse sich eine Strategie zur CFK-Bauteilauslegung erarbeiten, bei der Schädigungen und daraus resultierende Degradationen gezielt berücksichtigt werden. Auf der Fachtagung Carbon Composites 2012 zeigte Koch Schädigungsphänomene, um die Teilnehmer für die Notwendigkeit einer gesicherten Bauteildimensionierung zu sensibilisieren. Eine Überdimensionierung sei dabei nicht erforderlich.

Martin Rheinfurth, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart, präsentierte ein zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Bewertung von Ermüdungsschädigung in CFK-Bauteilen. Innerhalb des Forschungsgebiets „Ultraschallprüfung von Faser-Kunststoff-Verbunden“ beschäftigt sich Rheinfurth mit luftgekoppeltem Ultraschall und Plattenwellen. Sie bilden die Basis für das Verfahren. Experimentell wird der Zusammenhang zwischen Degradation der Elastizitätsgrößen und Abnahme der Plattenwellengeschwindigkeit gezeigt. Dazu werden die Proben unterschiedlicher Belastung ausgesetzt. Es kommt zu einer schrittweisen Werkstoffermüdung, die immer wieder ermittelt wird. Die Prüfergebnisse zeigen die Eignung des Verfahrens – auch bei nur einseitigem Zugang zu den Proben.

Geeignete Faserschlichten für CFK mit thermoplastischer Matrix

Als Matrixwerkstoffe kommen bei CFK vornehmlich Duroplaste zur Anwendung. Sie haben meist eine höhere Festigkeit im Vergleich zu Thermoplasten. Außerdem ist die thermische Belastbarkeit besser. Das gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen chemisch vernetzen und somit ausgehärtet werden. Nach dem Aushärten lassen sich Duroplaste unter Wärmeeinwirkung nicht mehr plastifizieren und damit umformen – im Gegensatz zu Thermoplasten, die als Matrixwerkstoff von Organoblechen bereits Eingang in die Praxis gefunden haben. Organobleche sind thermoplastische plattenförmige Halbzeuge mit Endlosfaserverstärkung. Über den Zwischenschritt der Halbzeugfertigung werden bereits Leichtbauteile im Serienmaßstab hergestellt.

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