Entwicklung einer Prüfmethodik für endlosfaserverstärkte duroplastische Kunststoffe basierend auf Frequenz- und Temperatureinflüssen zur Verringerung des Prüfaufwandes für Ermüdungsprüfungen als Grundlage einer zuverlässigeren und effizienteren Auslegung von Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen

Abstract

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden in hochbeanspruchten Strukturen eingesetzt, bei denen besonders hohe Anforderungen an mechanische Eigenschaften und auch Integrität gestellt werden. Beispiele für den Einsatz dieser Werkstoffklasse sind Windenergieanlagen, Komponenten für die Automobil- und die Luftfahrtindustrie. Ermüdungsprüfungen von konti-nuierlich faserverstärkten Kunststoffen sind jedoch aufgrund werkstoffspezifischer Eigenschaf-ten zeit- und kostenintensiv, was für KMU eine hohe Barriere darstellt, neue Werkstoffkombi-nationen für strukturelle Anwendungen einzusetzen. Darüber hinaus erreichen beispielsweise die ersten Windenergieanlagen bereits heute die Auslegungslebensdauer von 20 Jahren, so dass eine schnelle und kostengünstige Methode zum Nachweis der Betriebsfestigkeit für deren fort-laufenden Betrieb benötigt wird. In der Literatur werden dazu verschiedene Ansätze zur Ver-kürzung der Prüfdauer und Verringerung des Prüfaufwandes zur Bestimmung des Ermüdungs-verhaltens von kontinuierlichen faserverstärkten Kunststoffen diskutiert, die jedoch teilweise unzulässige Annahmen treffen oder entscheidende Werkstoffeffekte nicht berücksichtigen. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es daher, eine neuartige Prüfmethodik zur Ermittlung des Ermüdungsverhaltens von kontinuierlich unidirektional faserverstärkten Kunststoffen unter Reduktion der Prüfzeit sowie des Prüfumfanges zu erproben. Die zugrundeliegende Hypothese war, dass eine definierte Substitution der dynamisch-zyklischen Ermüdungsprüfungen durch andere zeitraffende experimentelle Prüfverfahren unter Berücksichtigung der dominierenden Schädigungsmechanismen in den zeit- und lastspielzahlabhängigen Ermüdungsbereichen (Kurzzeit-, Zeit- und Langzeitfestigkeit) eine Beschleunigung der Kennwertermittlung ermög-licht. Als Substitutionsmöglichkeiten wurden die quasistatische Zugprüfung, die dynamisch-zyklische Schwingprüfung mit erhöhter Frequenz sowie die Zeitstandfestigkeitsprüfung nach der Stepped-Isothermal-Methodik untersucht. Zur Überprüfung der Hypothese wurden sowohl herkömmliche dynamisch-zyklische Ermüdungsprüfungen als auch die neue Prüfmethodik in faserparalleler sowie fasersenkrechter Belastungsrichtung für kontinuierlich unidirektional glasfaserverstärktes Epoxid durchgeführt. Als Ergebnis dieses Forschungsvorhabens geht hervor, dass die vorgeschlagene Methodik für kontinuierlich unidirektional glasfaserverstärktes Epoxid erfolgreich umgesetzt wurde. Für den Kurzzeitfestigkeitsbereich (bis ca. 10³ Lastwechsel) liegen die dynamisch-zyklischen Ermü-dungsversuche mit einer Fasersenkrechtbelastung von 85 % der Zugfestigkeit noch im Bereich der Spannweite der Zugversuche. Andererseits wird bei faserparalleler Belastungsrichtung eine Beanspruchung von mehr als 85 % der Zugfestigkeit benötigt. Damit konnte gezeigt werden, dass Zugversuche eine Annäherung an den Kurzzeitfestigkeitsbereich ermöglichen. Für den Zeitfestigkeitsbereich (von 104 bis ca. 106 Lastwechsel) ergeben sich bei der Schwing-festigkeitsprüfung bei 15 Hz Prüffrequenz ähnliche Versagenszeiten wie bei den Versuchen bei 5 Hz Prüffrequenz. Es kann daher nicht von einer Verkürzung der Dauer der Prüfung bei der untersuchten Prüffrequenz gesprochen werden. Die Methodik deutet jedoch darauf hin, dass bei höheren Prüffrequenzen die Prüfdauer verkürzt werden könnte. Für die Beschleunigung der Ermüdungsversuche im Langzeitfestigkeitsbereich erwies sich die Stepped-Isothermal-Metho-dik jedoch nur dann als geeignet, wenn eine Kriechdehnung vorlag. Im Forschungsprojekt konnte festgestellt werden, dass eine mögliche Reduktion des Prüfum-fangs mit der neuen Methodik erreicht werden kann. Allerdings müssen die Prüfbedingungen für die einzelnen Substitutionsversuche angepasst werden. Diese Prüfbedingungen variieren für die faserparallele und die fasersenkrechte Belastungsrichtung aufgrund der unterschiedlich wir-kenden Schädigungsmechanismen, was zu einem zusätzlichen Aufwand bei der realen Umset-zung der Methodik führen kann. Das Ziel dieses Vorhabens wurde erreicht. Datei-Upload durch TIB