Browsing by Author "Drechsler, Klaus (Prof. Dr.)"

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Open Access
Beitrag zur Gestaltung und Auslegung von 3D-verstärkten Faserverbundschlaufen
(2007) Havar, Tamas; Drechsler, Klaus (Prof. Dr.)
Zukünftige Verkehrsflugzeuge haben das Ziel wirtschaftlicher und leistungsfähiger zu werden. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit wurde eine so genannte Miniature Trailinge Edge Device (kurz: Mini-TED) entwickelt. Die Mini-TED ist eine Spreizklappe aus einem Kohlenstofffaserverbund (CFK), die an die Unterseite der Flügel-Hinterkante mittels integraler Scharnierschlaufen aus CFK angebunden wird. Die hierbei auftretenden Belastungen wirken auf die CFK Scharnier-Schlaufen in unterschiedlichen Richtungen. Hierbei handelt es sich zum einen um schlaufentypische Belastungen, wie reine Zuglasten in Schlaufenrichtung (0° Lastrichtung). Zum Anderen treten schlaufenuntypische Lasten auf, die senkrecht zur Schlaufe wirken (Querzuglasten mit 90° Lastrichtung) und dadurch zum frühzeitigen Versagen führen. Dabei beträgt die Querzugfestigkeit ca. 10% der Zugfestigkeit. Als weiteres Beispiel wurde ein Querlenker aus der Automobilindustrie untersucht. Aufgrund von Reiblasten in den Augen treten hier ebenfalls Lasten senkrecht zur Schlaufe auf. Mittels Verstärkungen in der dritten Richtung von Faserverbundschlaufen soll primär die Festigkeit gegenüber Querzuglasten verbessert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche Schlaufentopologien betrachtet. Die erste Schlaufentopologie ist eine Parallel-Schlaufe, die sich dadurch kennzeichnet, dass die Schlaufenlagen gerade in das Bauteil laufen und dabei meist ein Mittellaminat mit einschließen. Die Taillierten-Schlaufe zeichnet sich durch eine Zusammenführung der Schlaufenlagen hinter dem Bolzen aus. Die Halbtaillierten-Schlaufe ist eine Mischung der beiden vorherigen Varianten. Die äußeren Schlaufenlagen verlaufen gerade ins Bauteil, während die inneren Schlaufenlagen hinter dem Bolzen zusammengefügt werden. Mittels nichtlinearer FEM Analysen wurden die verschiedenen Schlaufentopologien bei unterschiedlicher Belasten untersucht und die internen Lastverteilung berechnet. Hierbei hat sich gezeigt, dass ein Erstversagen bei allen Schlaufentopologien und Belastungen auf die interlaminare Schäl- und Scherbelastung der Zwischenschicht zwischen Schlaufenlagen und Mittellaminat zurückzuführen ist. Es wurden interlaminare Schäl- und Scherversuche von 3D-verstärkten Proben durchgeführt. Die Probengeometrie wurde an die Parallel-Schlaufe angelehnt um eine direkte Übertragbarkeit der Versuche zu gewährleisten. Des Weiteren wurden 3D-Verstärkungen mit unterschiedlichem Nahtwinkel und Stichabstand untersucht. Die Versuche haben gezeigt, dass die interlaminare Schälfestigkeit enorm gesteigert werden kann. Gleichzeitig konnte die interlaminare Scherfestigkeit kaum verbessert werden bzw. bei Nähten unter 90° zeigte sich sogar eine leichte Schwächung. Die Auswirkung der 3D-Verstärkung auf die verschiedenen Schlaufentopologien wurde in statischen Versuchen untersucht. Die Versuche mit 3D-Verstärkungen zeigten, dass das Erstversagen bei reiner Zuglast unter 0° nur bei der Taillierten-Schlaufe verbessert werden kann und bei den anderen Schlaufentopolgoien eher zu einer Verschlechterung führt. Bei gemischter Belastung unter 45° konnte eine leichte Verbesserung des Erstversagens infolge einer 3D-Verstärkung aufgezeigt werden. Die Verbesserung der Restversagens konnte jedoch erheblich gesteigert werden, da die 3D-Verstärkung die fortschreitende Delamination behindern. Die größte Verbesserung der Festigkeiten zeigte sich bei der Querzugbelastung unter 90°. Hierbei zeigte sich eine deutliche Steigerung des Erst- und Restversagens. Die Versuche haben ebenfalls gezeigt, dass eine Implementierung eines Innenrings in die Schlaufe das Erst- und Restversagen zusätzlich erheblich verbessern kann, da hierdurch die Anbindung der Schlaufenlagen an das Mittellaminat im kritischen Bereich zusätzlich verstärkt wird. Die Ermüdungsfestigkeit wurde in Lebensdauerversuchen untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass mittels einer 3D-Verstärkung die Ermüdungsfestigkeit bei 0° Zuglasten deutlich verbessert werden kann. Bei Zuglasten in 90° Lastrichtung konnte die Ermüdungsfestigkeit durch eine 3D-Verstärkung mit zusätzlichen Innenring sogar über die statische Festigkeit der unverstärkten Probe hinaus verbessert werden. Das Schädigungsverhalten der 3D-verstärkten interlaminaren Schäl- und Scherversuche so wie der Parallel-Schlaufe, wurde in nicht linearen FEM Analysen mit numerischen Degradationsmodellen nachgebildet. Die angewandten Versagensmechanismen unterschieden sich für eine Schädigung in einer unidirektionalen (UD) Schicht und einer Delamination zwischen zwei UD-Schichten. Diese wurden mittels Unterprogrammen in das nicht lineare FEM Tool "Marc-Mentat" der Firma MSC Software integriert. Es hat sich gezeigt, dass das Schadensverhalten sehr gut nachgebildet werden kann. Die Abweichung zwischen den berechneten und den experimentell ermittelten Versagenslasten war moderat. Zuletzt wurden anhand der Ergebnisse aus den durchgeführten Arbeiten Gestaltungsrichtlinien für Faserverbundschlaufen abgeleitet.
Open Access
Kurzfaser-Preform-Technologie zur kraftflussgerechten Herstellung von Faserverbundbauteilen
(2008) Meyer, Oliver; Drechsler, Klaus (Prof. Dr.)
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe haben ein großes Potenzial metallische Werkstoffe in verschiedenen Hochtechnologieanwendungen zu verdrängen. Der erreichbare Festigkeits- bzw. Gewichtsvorteil ist dabei stark abhängig von der Faserarchitektur innerhalb eines Bauteils. Besonders bei nur wenigen definierten Lastfällen können die mechanischen Eigenschaften der Fasern über deren Ausrichtung entlang von Kraftflusspfaden optimal ausgenutzt werden. Die berechneten Faserverläufe können allerdings komplexe Formen annehmen, die mit klassischen Faserhalbzeugen und Fertigungstechniken nicht umsetzbar sind. Zunächst sollte durch Weiterentwicklungen bei der Faserspritztechnik die Herstellung von Faserverbundbauteilen mit optimierter Faserarchitektur ermöglicht werden. Neben der variablen Einstellung der Faserschnittlänge sollten die Fasern mit Vorzugsrichtung gespritzt werden. Des Weiteren sollten die Fasern mit einem thermisch aktivierbaren Binder vorfixiert werden, um in einem anschließenden Infiltrationsprozess weiterverarbeitet werden zu können. Versuche mit einer Laboranlage zeigten, dass der Spritzprozess nur zu einer unzureichenden Bauteilqualität führt. Mit dem Ziel die Faserstücke definiert auszurichten, wurde ein neues Fertigungsverfahren entwickelt, welches die Positionierung kurzer Faserstücke nach einem vordefinierten Ablageplan mit einem speziellen Roboter erlaubt. Beim so genannten Fiber-Patch-Preforming werden gespreizte und einseitig bebinderte Faserbänder in kurze Stücke (Patches) geschnitten. Dazu wurde ein mechanisches Schneidwerk mit variabler Schnittlänge entwickelt. Für ein alternatives Schneidwerkskonzept wurden umfangreiche Untersuchungen mit Lasern durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass speziell der Zuschnitt mittels Nd:YAG-Laser gute Ergebnisse bringt. Die Patches werden nach dem Schneidwerk von einer speziellen Legevorrichtung aufgenommen und an einen definierten Ablageort platziert. Die Ausrichtung der Patches kann dabei frei eingestellt werden. Da der Legekopf aus einem hochelastischen Material gefertigt ist, kann er sich gut an gekrümmte Oberflächen anpassen und die Patches mit gleichmäßigem Druck fixieren. Anhand von theoretischen Betrachtungen wurden Regeln für den Aufbau einer Patch-Preform aufgestellt. Dabei sind die Überlappungsmuster der Patches entscheidend für die Festigkeit des späteren Verbundmaterials. Prinzipiell ist einem Riss ein möglichst großer Widerstand entgegen zu setzen, damit das Faserverbundmaterial infolge eines Faserbruchs und nicht durch Delamination versagt. Die optimale Platzierung von Patches konnte mit Beispielen unterschiedlicher Überlappungen und Verlegemethoden gezeigt werden. Zudem wurde eine Formel aufgestellt, die anhand von Parametern wie Patchlänge, Krümmungsradius und Materialkennwerten eine Abschätzung der Festigkeit eines Patch-Verbundes erlaubt. In experimentellen Untersuchungen wurde das Patchmaterial drei Verbundmaterialien aus Endlosfasern gegenübergestellt. Dabei wurde getestet welchen Einfluss die Kurzfasern und der Binder auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundes haben. Während das Patchmaterial bei der Festigkeit etwas geringere Werte gegenüber Endlosfasern aufweist, ist die Steifigkeit nahezu unbeeinflusst. Die Bruchmuster der Proben zeigen, dass das Material wie erwünscht hauptsächlich durch Faserbruch versagt. Bei Impact-Untersuchungen zeigte sich, dass das Patchmaterial viel Energie absorbieren kann, bei gleichzeitig relativ geringer Schadensausdehnung und einer hohen Restdruckfestigkeit. Die Untersuchung einer Platte mit Loch mit kraftflussgerecht verlegten Fasern zeigte gegenüber einer Platte aus Multiaxialgelege ebenfalls einen deutlichen Vorteil. Mittels eines optischen Verformungsmesssystems konnte eine Homogenisierung des Dehnungszustandes durch die Fiber-Patch-Preforming Technologie nachgewiesen werden. Anschließend wurde in einer Fertigungsstudie anhand von drei Beispielen die Produktionsgeschwindigkeit beurteilt und die Fertigungskosten abgeschätzt.