TY - THES

T1 - Experimentelle Basischarakterisierung einer neuen Fügetechnologie mit erhöhter Schadenstoleranz für endlosfaserverstärkte Kunststoffe

AU - Unger, Thomas

N1 - gesperrt bis 25-02-2018

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Im Laufe der letzten Jahre wurde ein immer stärker werdender Trend zu Strukturbauteilen aus endlos-faserverstärkten Kunststoffen (FVK) festgestellt. Die Weiterentwicklung der Fertigungstechniken, ein immer höherer Automatisierungsgrad und die damit einhergehende Kostensenkung führten dazu, dass dieser Trend im Energie- und Automobilbereich, aber auch im Luftfahrtsektor Einzug gehalten hat. Die derzeit verwendeten Fügetechnologien wie Nieten, Schrauben und Kleben führen dazu, dass hochbelastbare, schadenstolerante und dem „Fail-Safe“ Prinzip entsprechende Verbindungen nur unter erhöhtem Materialaufwand realisiert werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Fügetechnik mit optimierter spezifischer Verbindungsfestigkeit zwischen Strukturkomponenten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) untersucht. Als Fügehilfsmittel wurden Metalleinlagen, aus Stahl oder Titan mit senkrecht aufgebrachten Metallstiften (z-Pins), verwendet, die bei der Herstellung der Prüfkörper in den Überlappungsbereich eingelegt wurden. Die Prüfkörper wurden auf ihre mechanischen Eigenschaften unter statischer Last geprüft und die für das mechanische Versagen der CFK-CFK Verbindung verantwortlichen Prozesse bestimmt. Durch die Realisierung von unterschiedlichen Belastungen am Interface, bzw. an den Pins wurde die Güte dieser neuartigen Verbindungstechnik im Detail analysiert. Um die Delaminationseigenschaften dieser neuen Verbindungstechnik zu erforschen wurden Double Cantilever Beam (DCB) und End Notched Flexure (ENF) Prüfkörper mit Metalleinlagen aus Stahl bzw. Titan und unterschiedlicher Oberflächenvorbehandlung hergestellt. Bei der Prüfung unter Mode I und Mode II Belastung zeigte sich, dass die Prüfkörper mit Titaneinlagen deutlich höhere Werte für die Energiefreisetzungsrate G erzielten als jene mit Stahleinlagen. Die unterschiedliche Oberflächenbehandlung bewirkte ebenfalls Unterschiede im Risswachstumsverhalten der Prüfkörper, jedoch mit geringerer Auswirkung als die Auswahl des Grundmaterials. Um die Verstärkung der Fügeverbindung durch z-Pins zu untersuchen wurden die Prüfkörpertypen Single Lap Shear (SLS) und Double Lap Shear (DLS) hergestellt und geprüft. Insgesamt wurden drei verschiedene Pin-Anordnungen zur Verstärkung des Überlappungsbereichs untersucht. Die Pin-Anordnung mit jeweils zwei Pin-Reihen an den beiden Enden der Überlappungsfläche sowie jene mit den ganzflächig verteilten Pins, konnten dabei die größten Schubspannungen aufnehmen, während die Variante mit den Pins in den Ecken der Fügefläche bei allen Prüfungen die niedrigsten Ergebnisse lieferte. Um die bei der Prüfung im Interface auftretenden Dehnungen sichtbar zu machen, analysieren und auswerten zu können, wurden die Messungen der SLS– und DLS-Prüfkörper mit einem optischen System zur Aufnahme von Dehnungen und Dehnungsverteilungen unterstützt. Damit konnten die Versagensmechanismen während der Prüfung bestimmt werden. Die Feststellung des Versagensverhaltens erfolgte an Hand einer abschließenden Analyse der Bruchoberflächen.

AB - Im Laufe der letzten Jahre wurde ein immer stärker werdender Trend zu Strukturbauteilen aus endlos-faserverstärkten Kunststoffen (FVK) festgestellt. Die Weiterentwicklung der Fertigungstechniken, ein immer höherer Automatisierungsgrad und die damit einhergehende Kostensenkung führten dazu, dass dieser Trend im Energie- und Automobilbereich, aber auch im Luftfahrtsektor Einzug gehalten hat. Die derzeit verwendeten Fügetechnologien wie Nieten, Schrauben und Kleben führen dazu, dass hochbelastbare, schadenstolerante und dem „Fail-Safe“ Prinzip entsprechende Verbindungen nur unter erhöhtem Materialaufwand realisiert werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Fügetechnik mit optimierter spezifischer Verbindungsfestigkeit zwischen Strukturkomponenten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) untersucht. Als Fügehilfsmittel wurden Metalleinlagen, aus Stahl oder Titan mit senkrecht aufgebrachten Metallstiften (z-Pins), verwendet, die bei der Herstellung der Prüfkörper in den Überlappungsbereich eingelegt wurden. Die Prüfkörper wurden auf ihre mechanischen Eigenschaften unter statischer Last geprüft und die für das mechanische Versagen der CFK-CFK Verbindung verantwortlichen Prozesse bestimmt. Durch die Realisierung von unterschiedlichen Belastungen am Interface, bzw. an den Pins wurde die Güte dieser neuartigen Verbindungstechnik im Detail analysiert. Um die Delaminationseigenschaften dieser neuen Verbindungstechnik zu erforschen wurden Double Cantilever Beam (DCB) und End Notched Flexure (ENF) Prüfkörper mit Metalleinlagen aus Stahl bzw. Titan und unterschiedlicher Oberflächenvorbehandlung hergestellt. Bei der Prüfung unter Mode I und Mode II Belastung zeigte sich, dass die Prüfkörper mit Titaneinlagen deutlich höhere Werte für die Energiefreisetzungsrate G erzielten als jene mit Stahleinlagen. Die unterschiedliche Oberflächenbehandlung bewirkte ebenfalls Unterschiede im Risswachstumsverhalten der Prüfkörper, jedoch mit geringerer Auswirkung als die Auswahl des Grundmaterials. Um die Verstärkung der Fügeverbindung durch z-Pins zu untersuchen wurden die Prüfkörpertypen Single Lap Shear (SLS) und Double Lap Shear (DLS) hergestellt und geprüft. Insgesamt wurden drei verschiedene Pin-Anordnungen zur Verstärkung des Überlappungsbereichs untersucht. Die Pin-Anordnung mit jeweils zwei Pin-Reihen an den beiden Enden der Überlappungsfläche sowie jene mit den ganzflächig verteilten Pins, konnten dabei die größten Schubspannungen aufnehmen, während die Variante mit den Pins in den Ecken der Fügefläche bei allen Prüfungen die niedrigsten Ergebnisse lieferte. Um die bei der Prüfung im Interface auftretenden Dehnungen sichtbar zu machen, analysieren und auswerten zu können, wurden die Messungen der SLS– und DLS-Prüfkörper mit einem optischen System zur Aufnahme von Dehnungen und Dehnungsverteilungen unterstützt. Damit konnten die Versagensmechanismen während der Prüfung bestimmt werden. Die Feststellung des Versagensverhaltens erfolgte an Hand einer abschließenden Analyse der Bruchoberflächen.

KW - CFRP

KW - z-Pin

KW - delamination

KW - damage tolerance

KW - Double Lap Shear

KW - Single Lap Shear

KW - Double Cantilever Beam

KW - CFK

KW - z-Pin

KW - Delaminationswiderstand

KW - Schadenstoleranz

KW - Double Lap Shear

KW - Single Lap Shear

KW - Double Cantilever Beam

M3 - Masterarbeit

ER -