Suchen

Hybride Werkstoffe

Hybridbauweise schützt vor schlagartigem Versagen

Seite: 3/3

Firma zum Thema

Die Oberfläche der unzerstörten Probe ist eben. Durch den Einsatz von transparentem Harz lassen sich außerdem die eingebetteten Faserbündel gut erkennen:; Weiße, textile Fasern halten dabei die unidirektionalen Faserbündel während des Laminierens in Position. Beim Versagen der Probe spleißen diese Faserbündel auf und die Harzmatrix reißt quer und längs zur Faserrichtung.

Eingesetzte Faserart bestimmt die Zugfestigkeit des Hybrids

Hybridwerkstoffe mit mehreren Zwischenlagen aus Aluminium haben spezielle Festigkeitseigenschaften und finden beispielsweise im Flugzeugbau ihre Einsatzgebiete, wo Rissbildung und -fortpflanzung besonders kritisch werden können (Tragflächenkanten, Cockpitverkleidungen). Das Verhalten solcher Teile im Zugversuch ist im dritten Diagramm zu sehen.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 11 Bildern

Nun betrachten wir einen entsprechenden Prüfling aus GFK-Aluminium-Hybridmaterial vor und nach dem Zugversuch: Das beobachtete Versagensverhalten ist dem von CFK mit eingebetteter Aluminiumzwischenlage sehr ähnlich. Das Versagen erfolgt auch bei diesem Probekörper in zwei Stufen: Zunächst geben die beiden Lagen aus Fasermaterial nach, wobei die Fasern reißen und das Matrixmaterial aufbricht. Nach dem Versagen der Fasern übernimmt auch dabei die noch intakte Alumiumlage die Last und wird bis zum vollständigen Bruch weiter gedehnt. An den Proben sind dann in der Trennebene gedehnten Fragmente der Aluminiumlage zu registrieren.

Die Zugfestigkeit des GFK-Hybridwerkstoffs aus zwei äußeren Lagen GFK und einer darin eingebetteten Aluminiumlage beträgt 400 N/mm². Die Zugfestigkeit wird hier offensichtlich vor allem durch die verwendeten Fasern bestimmt, wie der Vergleich mit dem auf gleiche Weise laminierten CFK-Hybridwerkstoff belegt. Bis zum Versagen des Faseranteils wird der Werkstoffverbund um etwa 4 % gedehnt. Anschließend wird dann die Aluminiumphase bei 200 N/mm² bis 260 N/mm² bis zum Bruch verformt. Die Zugfestigkeit der zweilagigen GFK-Proben ohne metallische Zwischenlage beträgt dabei 700 N/mm².

Hybridbauteile haben einzigartige mechanische Eigenschaften

Durch Einbetten verformungsfähiger Aluminiumlagen, werden die mechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen maßgeblich verändert: Während glasfaserverstärkter Kunststoff mit Aluminiumlagen im Flugzeugbau eingesetzt wird, gibt es bisher kaum industrielle Anwendungen für carbonfaserverstärkten Kunststoff mit Aluminium. Da aber die Festigkeit der Faser die maximale Belastbarkeit unter Zug bestimmt, ist die Zugfestigkeit des Hybridwerkstoffs aus CFK und Aluminium wesentlich größer als bei GFK-Hybridmaterial mit Aluminiumlagen.

Im Zugversuch geben die Proben der Hybridwerkstoffe zunächst durch den Bruch von Matrixmaterial und Fasern nach, wobei die Fasern auseinanderspleißen und die Matrix quer und längs zur Zugbelastung bricht. Der Lastpfad wechselt danach in die duktile Aluminiumlage, die anschließend bis zum Bruch gedehnt wird. Im Vergleich zu Teilen aus reinem Faserverbundwerkstoff weisen beide getestete Hybridsysteme eine vergleichsweise große Bruchdehnung von maximal 15 % auf.

Hybride Bauteile, die aus Faserverbundkunststoffen und Metallen gefertigt sind, bieten laut der gewonnenen Versuchsergebnisse einzigartige mechanische Eigenschaften. Gelingt eine bessere Industrialisierung der Fertigungsprozesse kann zukünftig an eine breitere Anwendung dieser Werkstoffe gedacht werden – beispielsweise in Karosserien von Elektrofahrzeugen oder in Stoßfängern als spezielle Crashelemente.

Diese Forschungsarbeiten enstanden im Labor für Kunststoffverarbeitung und -prüfung sowie im Labor für Produktionstechnik der Beuth Hochschule für Technik in Berlin. MM

Literaturverzeichnis

[1] Kafadaroglu et.al.: „Neue Fertigungstechnologien: Herstellung und Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen“. Master-Semesterarbeit Sommer 2014. Beuth Hochschule für Technik, Berlin, 2014.

* Prof. Jörg Schmütz lehrt im Fachgebiet Fertigungstechnik- und Fertigungsanlagen an der Beuth Hochschule für Technik in Berlin. Marko Kafadaroglu studiert dort Wirtschaftsingenieur Maschinenbau. Weitere Informationen unter: Tel. (0 30) 45 04-51 36, info@beuth-hochschule.de, www.beuth-hochschule.de

(ID:43339667)