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: EFRE - Kofinanziert von der Europäischen Union und dem Land Niedersachsen
Laufzeit: 2024 – 2027
Team: H. Schäfer, J. Finder, S. Heimbs
Ziel von reFrame ist es, einen geschlossenen Kohlenstofffaser-Recyclingkreislauf zu ermöglichen und gleichzeitig das Hochleistungspotenzial der Kohlenstofffasern zu erhalten. Hintergrund ist, dass bei solchen Hochleistungsbauteilen keine Leistungseinbußen hingenommen werden können, da sonst das Strukturgewicht und damit beispielsweise der Treibstoffverbrauch von Flugzeugen steigen würde.
Im Projekt reFrame wird die Idee der Kombination von CFK-Sandwichstrukturen mit einem Kern aus recyceltem Ausgangsmaterial aus thermoplastischen Deckschichten entwickelt, untersucht und umgesetzt. Da es sich bei der Deckschicht und dem Kern um das gleiche Ausgangsmaterial handelt, kann so die gesamte Struktur recycelt und zu einem neuen Kern verarbeitet werden. So entsteht ein geschlossener CFK-Sandwich-Recyclingkreislauf ohne Anwendungseinschränkungen.
Durch die interdisziplinäre Forschungskooperation im interuniversitären Forschungsverbund HP CFK (Leibniz Universität Hannover, TU Clausthal und der TU Braunschweig) am Standort Stade kann die komplette Entwicklung abgedeckt werden: vom Gesamtentwurf und von der Auslegung (TU Braunschweig) über die Materialanalyse und das Recycling (TU Clausthal) bis hin zur Produktion (Leibniz Universität Hannover). Unterstützt wird die Kooperation durch die Private Hochschule Göttingen (PFH), Hansecampus Stade, die sich aktiv um den Wissens- und Technologietransfer kümmert.
Der Abschluss des Projektes stellt die Realisierung eines Demonstrators einer recycelten Flugzeugstruktur dar. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden im Transferteil mit Hilfe der Privaten Hochschule Göttingen (PFH) genutzt, um mit Industriepartnern direkt an der weiteren Umsetzung zu arbeiten.
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.
Institut für Flugzeugbau und Leichtbau
Hermann-Blenk-Straße 35
D-38108 Braunschweig
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