TY - THES

T1 - Charakterisierung eines im RTM-Prozess hergestellten CFK-Metall-Leichtbauwerkstoffes

AU - Brandstetter, Dominik

N1 - gesperrt bis 11-11-2021

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Der Schlüssel zum Erfolg von Leichtbaukonzeptionen ist, Strukturelemente aus unterschiedlichen Werkstoffen aufzubauen um so einen hybriden Aufbau zu realisieren. Der Sinn dahinter liegt in der Kombination von Vorteilen der Einzelkomponenten, sowie in der Kompensation ihrer Nachteile. Wirtschaftlich umsetzen lassen sich die Herstellungsverfahren solcher Hybridmaterialien nur mit dem Aspekt einer hohen Automatisierung mit kurzen Zykluszeiten. Dieses Ziel verfolgt das Projekt „HybridRTM“. Unter anderem soll dabei ein aus kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) gefertigter Montageträger für die Heckklappe eines Autos samt seinen metallischen Inserts und Onserts in einem Prozessschritt, mittels Resin Transfer Moulding hergestellt werden. In der gegenständlichen Arbeit wurde dieser Hybridwerkstoff nach den Gesichtspunkten der Werkstoffprüfung charakterisiert. Der Fokus lag dabei auf den mechanischen, thermischen und thermomechanischen Eigenschaften bei -40 °C, 23 °C und 90 °C. Um diese Kennwerte mit theoretischen Modellen validieren zu können, wurden erst die Einzelkomponenten einer Grundcharakterisierung unterzogen. Im Bereich des CFK wurden drei gleich dicke Laminate (Variante V1, V2 und V3) aus unterschiedlichen Gewebetypen untersucht, wobei sich V1, welche auch für den hybriden Aufbau herangezogen wurde, aus den Gewebetypen von V2 und V3 zusammensetzte. Beim Metall handelte es sich um einen mikrolegierten Flachstahl mit hoher Streckgrenze. Die Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften des Hybridwerkstoffes konnte bei allen Versuchen festgestellt werden. Mit steigender Temperatur verringerten sich die aus Zug- und Biegeversuchen gewonnenen Kennwerte in Faserrichtung um bis zu 20 %. In (±45) Orientierung fiel das Niveau um bis zu 50 % ab. Die Temperatursensibilität vom Interface zwischen CFK und Metall wurde mittels scheinbarer interlaminarer Scherfestigkeit bzw. Bruchzähigkeitsversuche untersucht. Beide Prüfmethoden korrelierten tendenziell in den Ergebnissen, wobei die Mode I Kennwerte empfindlicher auf die Temperaturerhöhung reagierten und einen Abfall um bis zu 60 % aufwiesen. Weiters konnte gezeigt werden, dass bei Tieftemperatur das Interface zwischen CFK und Metall so gute Haftungseigenschaften besitzt, dass kohäsives Versagen im CFK-Laminat auftrat. Bei Hochtemperatur hingegen wurde rein adhäsives Versagen beobachtet. Die thermischen Analysen ergaben eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung über der Temperatur um etwa 70 %. Der Wärmeausdehnungskoeffizient in Faserrichtung wies einen um den Faktor 5 bis 6 geringeren Wert als jener in Dickenrichtung auf.

AB - Der Schlüssel zum Erfolg von Leichtbaukonzeptionen ist, Strukturelemente aus unterschiedlichen Werkstoffen aufzubauen um so einen hybriden Aufbau zu realisieren. Der Sinn dahinter liegt in der Kombination von Vorteilen der Einzelkomponenten, sowie in der Kompensation ihrer Nachteile. Wirtschaftlich umsetzen lassen sich die Herstellungsverfahren solcher Hybridmaterialien nur mit dem Aspekt einer hohen Automatisierung mit kurzen Zykluszeiten. Dieses Ziel verfolgt das Projekt „HybridRTM“. Unter anderem soll dabei ein aus kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) gefertigter Montageträger für die Heckklappe eines Autos samt seinen metallischen Inserts und Onserts in einem Prozessschritt, mittels Resin Transfer Moulding hergestellt werden. In der gegenständlichen Arbeit wurde dieser Hybridwerkstoff nach den Gesichtspunkten der Werkstoffprüfung charakterisiert. Der Fokus lag dabei auf den mechanischen, thermischen und thermomechanischen Eigenschaften bei -40 °C, 23 °C und 90 °C. Um diese Kennwerte mit theoretischen Modellen validieren zu können, wurden erst die Einzelkomponenten einer Grundcharakterisierung unterzogen. Im Bereich des CFK wurden drei gleich dicke Laminate (Variante V1, V2 und V3) aus unterschiedlichen Gewebetypen untersucht, wobei sich V1, welche auch für den hybriden Aufbau herangezogen wurde, aus den Gewebetypen von V2 und V3 zusammensetzte. Beim Metall handelte es sich um einen mikrolegierten Flachstahl mit hoher Streckgrenze. Die Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften des Hybridwerkstoffes konnte bei allen Versuchen festgestellt werden. Mit steigender Temperatur verringerten sich die aus Zug- und Biegeversuchen gewonnenen Kennwerte in Faserrichtung um bis zu 20 %. In (±45) Orientierung fiel das Niveau um bis zu 50 % ab. Die Temperatursensibilität vom Interface zwischen CFK und Metall wurde mittels scheinbarer interlaminarer Scherfestigkeit bzw. Bruchzähigkeitsversuche untersucht. Beide Prüfmethoden korrelierten tendenziell in den Ergebnissen, wobei die Mode I Kennwerte empfindlicher auf die Temperaturerhöhung reagierten und einen Abfall um bis zu 60 % aufwiesen. Weiters konnte gezeigt werden, dass bei Tieftemperatur das Interface zwischen CFK und Metall so gute Haftungseigenschaften besitzt, dass kohäsives Versagen im CFK-Laminat auftrat. Bei Hochtemperatur hingegen wurde rein adhäsives Versagen beobachtet. Die thermischen Analysen ergaben eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung über der Temperatur um etwa 70 %. Der Wärmeausdehnungskoeffizient in Faserrichtung wies einen um den Faktor 5 bis 6 geringeren Wert als jener in Dickenrichtung auf.

KW - RTM

KW - Resin Transfer Moulding

KW - CFK

KW - Carbon

KW - CFRP

KW - Composite

KW - Verbundwerkstoff

KW - Laminat

KW - Bruchmechanik

KW - Werkstoffprüfung

KW - hybrid

KW - adhesives

KW - Metall

KW - Epoxidharz

KW - RTM

KW - Resin Transfer Moulding

KW - carbon

KW - carbon fibre reinforced plastic

KW - CFRP

KW - composite

KW - fibre reinforced plastic

KW - FRP

KW - lightweight construction

KW - hybrid

KW - material testing

KW - adhesives

KW - metal

KW - resin

M3 - Masterarbeit

ER -