Hochgeschwindigkeitsprüfmaschine
Final Report Abstract
Verbundwerkstoffe mit Hochleistungsfasern bestehend aus Carbon- und Glasfasern als Verstärkungselementen, textile Membrane und Technische Textilien stellen eine vergleichsweise neue Werkstoffklasse mit einem vielversprechenden multifunktionalen Eigenschaftsprofil dar. Infolge des anisotropen Aufbaus der Faserverbundwerkstoffe (FKV) besteht im Bereich der Werkstoffcharakterisierung und -simulation erheblicher Forschungsbedarf, da konventionelle Prüfvorschriften und zugehörige -verfahren nur begrenzt übertragbar sind. Hierfür gilt es, unikale, das heißt material-, struktur- und kennwertspezifische, Mess- und Prüfverfahren zu entwickeln und umfassend zu erproben. Das betrifft vor allem die Sicherstellung der Gebrauchsfähigkeit der textilen Produkte unter extremen Bedingungen, wie zum Beispiel das Crash-Verhalten von Verbundbauteilen oder das Impakt-Verhalten von Betonstrukturen. Zu diesem Themenfeld wurde die Hochgeschwindigkeitsprüfmaschine in einer Vielzahl von Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten am ITM der TU Dresden eingesetzt und dabei auch, wenn erforderlich, konstruktiv an die unikalen Anforderungen des Prüfköpers sowie des Prüfregimes adaptiert. Eins der forschungsseitigen Ergebnisse umfasst die Ermittlung der dehnratenabhängigen Materialkennwerte Festigkeit, Steifigkeiten, Bruchdehnung und Energieabsorptionsvermögen von imprägnierten und nicht imprägnierten Hochleistungsfaserstoffen Glasfaser(GF)-, Carbonfaser(CF)- und Aramid(AR)-Filamentgarnen in Faserlängsrichtung. Die Kenntnis dieser dehnratenabhängigen Eigenschaften von typischerweise mit Epoxidharzen imprägnierten Hochleistungsfaserstoffen ist von grundlegender Bedeutung sowohl für die theoretische modelbasierte Beschreibung und Auslegung als auch für die Bewertung des praktisch ermittelten Materialverhaltens der daraus gefertigten Composite-Bauteile. Für eine zuverlässige und reproduzierbare Ermittlung der dehnratenabhängigen Materialkennwerten bei Prüfgeschwindigkeiten bis zu 20 m/s wurden systematisch maschinenkompatible Einspannvarianten, insb. basierend auf Harzeingusssystemen mit sehr kleiner Eigenmasse, hoher Eigensteifigkeit sowie hohem Kraftübertragungspotenzial, entwickelt und hinsichtlich ihrer prüftechnischen Eigenschaften evaluiert. Die Gesamtheit der ermittelten Datenbasis bildet die Grundlage für die Formulierung dehnratenabhängiger Materialmodelle für Hochleistungsfilamentgarne. Ein weiteres wesentliches Forschungsergebnis betrifft die umfassende Ermittlung der strukturund materialspezifischen Eigenschaften von textilen Verstärkungsstrukturen unter Impactbeanspruchung, also senkrecht zur Oberfläche bzw. Faserlängsrichtung. Motiviert wurden diese Untersuchungen durch den fehlenden wissenschaftlichen Kenntnisstand sowie den hohen technischen und wirtschaftlichen Bedarf an impaktorientiert ausgelegten Textilien, FKV und Textil-Beton-Verbunden, die unter einwirkenden Impaktbeanspruchungen mit Auftreffgeschwindigkeiten bis ca. 20 m/s gegenüber konventionellen Bauweisen eine signifikant höhere Robustheit aufweisen und in der Lage sind, bis zu definierten Grenzen ein ganz oder teilweises Überleben der Konstruktion nach dem Impakt zu gewährleisten. Hierfür wurden systematisch Textil- und Verbundprobekörper unter Impaktbeanspruchung geprüft, wodurch das Verhalten der eingesetzten textilen und matrixspezifischen Ausgangsmaterialien sowie deren Verbundmechanismen unter hohen Dehnraten eruiert wurde, so dass aus diesen Kenntnissen eine gezielte Bemessung der Verstärkungsstrukturen abgeleitet werden kann. Die Forschungsergebnisse wurden sowohl im Rahmen verschiedener grundlagenorientierter und industrienaher öffentlicher Forschungsprojekte als auch durch studentische Graduierungsarbeiten generiert und waren ebenfalls in Form von Praktika und Vorlesungen Bestandteil der studentischen Ausbildung in den Studienrichtungen Verarbeitungsmaschinen- und Textilmaschinenbau (VTMB) und Leichtbau im Diplom-Studiengang Maschinenbau sowie Textilund Konfektionstechnik im nicht-konsekutiven Masterstudiengang der TU Dresden.
Publications
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