Auf Grund ihrer exzellenten mechanischen Eigenschaften und ihres enormen Leichtbaupotentials haben sich moderne Faserverbundkunststoffe (FVW) in den letzten Jahrzehnten in der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Automobil- und Schiffsbau sowie der Windenergie-Industrie erfolgreich etabliert. Eine besondere Herausforderung liegt in der Auslegung und Berechnung (sowohl statisch als auch zyklisch) von FVW.
Förderung: DFG
Laufzeit: Seit 2019
Team: Tim Luplow, P. Horst, S. Heimbs
Zur Übertragung extremer mechanischer Belastungen in mehrschichtigen Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) ist es oftmals notwendig, Strukturbauteile dickwandig auszuführen. Mit zunehmender Verbunddicke tritt jedoch ein überproportionaler Abfall insbesondere der in-plane-Druckfestigkeiten auf. Diese Festigkeitsminderung ist neben statistischen Größeneffekten vor allem durch Einflüsse aus dem Fertigungsprozess wie etwa inhomogene Aushärtungsvor-gänge, resultierende Eigenspannungen und vor allem Faserfehlorientierungen bedingt.
Ziel des Gemeinschatsforschungsvorhabens DIWA ist die grundlegende Untersuchung der Entstehung und des Einflusses von strukturellen Verbundimperfektionen in Form von Faserfehlstellungen, Faser-verschiebungen und Eigenspannungszuständen auf das Werkstoffverhalten von dickwandigen, biaxial geflochtenen FKV unter ein- und mehrachsiger quasistatischer, zyklischer sowie thermischer Belastung. Das IFL untersucht dabei im Rahmen von DIWA das Ermüdungsverhalten der dickwandigen GFK-Laminate unter Zug-, Druck-, Biege- und multiaxialer Beanspruchung. Hierfür werden zunächst experimentelle Untersuchungen an Proben von Wandstärken bis zu 10 mm durchgeführt, um den Einfluss der Dicke auf die mechanischen Eigenschaften und Schadensphänomene unter uniaxialer Belastung zu quantifizieren. In einem weiteren Schritt werden schließlich kastenförmige Strukturen unter multiaxialer Belastung (Druck und Schub) auf der MPT (Multiaxial Panel-Testanlage) geprüft.
Zudem wird ein so genanntes Multi-Scale-Modell unter Verwendung der Finite Elemente Methode (FEM) zur Kennwert- und Schädigungsprädiktion dickwandiger Geflechtstrukturen aufgebaut. Hierin wird der Einfluss verschiedener, wandstärkenabhängiger Parameter (wie z.B. Nesting, Faserwinkel und Faservolumengehalt) simulativ untersucht. Die notwendigen Parameterverläufe werden dabei aus Schliffbild-, Ultraschall- und CT-Aufnahmen gewonnnen.
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laufzeit: 2022 – 2025
Team: J. L. Stüven, S. Heimbs
Thermoplastische Matrices in Faserverbundstrukturen sind in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus der Forschung gerückt, da sie gegenüber duromeren Matrices einen entscheidenden Vorteil aufweisen: die Schweißbarkeit. Diese bietet ein hohes Potential, z.B. hinsichtlich Gewichtsreduzierung, Taktzeitverkürzung und der gerade heutzutage so bedeutsamen Rezyklierbarkeit. Wenngleich verschiedene Schweißverfahren Gegenstand der Forschung sind und zum Teil bereits in industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen, ist das grundsätzliche Wirkprinzip der Verfahren sehr ähnlich. Durch Eintrag von Wärme im Bereich der angestrebten Fügezone wird die Matrix aufgeschmolzen. Unter Einwirkung eines von außen applizierten Drucks auf die Fügepartner während der Abkühlung werden diese anschließend zu einem Bauteil verbunden. In eigenen numerischen Simulationen im Rahmen des Projektes JoinThis konnte bereits gezeigt werden, dass infolge des Abkühlprozesses, Eigenspannungen in der Fügezone und deren Umgebung auftreten, welche eine Vorschädigung der Matrix bewirken. Vor allem für zyklisch belastete Komponenten prägen sich somit potentiell lebensdauer-verringernde Vorschädigungen aus, welche in der Dimensionierung von derart belasteten Komponenten zu berücksichtigen sind.
Ziel des Projektes FASTHER ist das Schädigungsverhalten von geschweißten thermoplastischen Faserverbundstrukturen hinsichtlich zyklischer Belastung unter Berücksichtigung von thermischen Eigenspannungen systematisch zu untersuchen. Die zentrale Forschungshypothese ist, dass ein Verfahren zur rechnerischen Lebensdauervorhersage von geschweißten faserverstärkten Thermo-plasten auf Basis der Finite-Elemente-Methode erstellt werden kann. Mit Abschluss des Projektes steht erstmals eine Detailmodellierung der Ermüdungsschädigung von geschweißten thermoplastischen Faserverbundstrukturen zur Verfügung, welche wertvolle Erkenntnisse hinsichtlich der rechnerischen Dimensionierung im Flugzeugbau liefert. Darüber hinaus wird das Verständnis zur numerischen Modellierung der Ermüdung von FKV erweitert sowie ein wesentlicher Beitrag zu Möglichkeiten der experimentellen Gewinnung von Validierungsdaten mithilfe faseroptischer Sensoren geleistet.
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)
Laufzeit: 2021 – 2023
Das Projekt „Bionic Walker“ ist ein durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand gefördertes Kooperationsprojekt zur Entwicklung und Erforschung einer neuen prothetischen Versorgung für Patienten mit Teilfußamputationen. Zu dem Projektkonsortium gehören die REHA-OT Lüneburg Melchior & Fittkau GmbH aus Lüneburg, die Zeisberg Carbon GmbH aus Hannover, die OK Gummiwerk Otto Körting GmbH aus Hameln, das Institut für Orthopädische Bewegungsdiagnostik (OrthoGO) aus Hannover sowie die der Forschergruppe HPCFK angehörigen Institute Institut für Flugzeugbau und Leichtbau der TU Braunschweig und Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik der TU Clausthal. Administrativ wird das Projektkonsortium durch die Wirtschaftsförderungs-GmbH für Stadt und Landkreis Lüneburg unterstützt.
Die Aufgabe der, neuen prothetischen Versorgung besteht in der Wiederherstellung einer normalen, dynamischen und symmetrischen Gangabwicklung für Patienten nach Teilfußamputationen, um Folgebeschwerden durch Gangveränderungen zu vermeiden und ihnen zu ermöglichen, schneller in den gesellschaftlichen und beruflichen Alltag zurückzukehren. Erreicht wird die wesentliche Funktion des Produkts durch ein spezielles Federelement aus carbonfaserverstärktem Kunststoff, das die Charakteristik der nicht mehr vorhandenen anatomischen Strukturen nachbildet. Genau wie bei einem gesunden Bewegungsapparat wird ein Teil der kinetischen Energie beim Auftreten während des Gehens als potenzielle Energie in dem Federelement gespeichert. Beim erneuten Abheben des Fußes dient die komprimierte Feder der Unterstützung des Patienten und verringert den erforderlichen Kraftaufwand.
Ausgehend von einer ganganalytischen Ermittlung der medizinischen Anforderungen findet innerhalb des Kooperationsprojekts die komplette Entwicklung, Fertigung und Zusammenführung aller Komponenten zu einem Demonstrator statt. Dessen Funktionsfähigkeit und Wirkung wird über statische und zyklische Versuche in einer Prüfmaschine, über mehrachsige Versuche mit einem Industrieroboter sowie realitätsnahe Versuche im Ganglabor nachgewiesen.