Ultraschalldoppelbrechung zur Mikromechanischen Schadensdetektion in Faser-Verbund-Kunststoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Daniel Leonhard von Kreutzbruck; Professor Dr.-Ing. Peter Middendorf
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Akustik ; Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393107521

Faser-Verbund-Kunststoffe (FVK) werden in zunehmenden Maße in Energieanlagen, Kraftfahrzeugen und der Luftfahrt eingesetzt. Durch diese weite Verbreitung dieser Werkstoff-gruppe ist auch die Nachfrage der Industrie nach kostengünstigen mobile zerstörungsfreien Prüfmethoden gestiegen. Eine der größten Herausforderungen ist dabei nicht die Prüftechnik selbst, sondern die Interpretation der auftretenden (Defekt-) Anzeigen. Die Ultraschalldoppelbrechung soll als eine zerstörungsfreie Methode zur Schadensdetektion und -charakterisierung weiterentwickelt werden. Die Ultraschalldoppelbrechung nutzt aus, dass die Phasengeschwindigkeit von Transversalwellen abhängig von der Polarisationsrichtung der Wellen ist, wenn sie sich in anisotropen Werkstoffen wie FVK ausbreiten. So konnte mit der Ultraschalldoppelbrechung bereits die Degradation des Schubmoduls G23 in einem quasiisotropen CFK-Laminat für jede Faserrichtung individuell nachvollzogen werden. Nun soll untersucht werden, welche mikromechanischen Materialzustände dieser Degradation zugrunde liegen. Ziel ist eine Korrelation der mittels Ultraschalldoppelbrechung gemessenen Werte mit technisch relevanten Kenngrößen zur Bewertung der Bauteilschädigung. Das mikromechanische Materialverständnis soll gesteigert werden, indem neue Modellierungsansätze für die mikromechanische Simulation der Schädigung, sowohl für eher homogene Schädigung als auch in der Umgebung von makroskopischen Schäden, gefunden werden. Die damit gewonnenen Erkenntnisse erlauben eine theoretische Weiterentwicklung der Ultraschalldoppelbrechung unter Berücksichtigung realer Schädigungsmechanismen. Weiterhin soll die Methode dahingehend erweitert werden, dass nicht nur für jede Faserrichtung, sondern auch für jede einzelne Lage eines Laminats der Schädigungszustand quantifiziert werden kann. Dazu müssen zusätzlich zu den bereits berücksichtigten Effekten Absorption und Transmission auch Reflexion und Streuung im Modell berücksichtigt werden.Um diese Ziele zu erreichen werden FVK-Proben unter verschiedenen mechanischen Belastungen kontrolliert geschädigt bis es zu Faser-Matrix-Ablösung, Mikrorissen und plastischer Verformung kommt. Die Schädigung wird sowohl durch weitere mechanische Versuche, als auch mit Ultraschalldoppelbrechung und anderen zerstörungsfreien Methoden, charakterisiert. Mikromechanische Modelle des FVK werden entsprechend der untersuchten Probekörper aufgebaut und der Schädigungsprozess virtuell abgebildet. Durch die Verknüpfung der Messergebnisse der Ultraschalldoppelbrechung mit dem mikromechanischen Zustand des Werkstoffs wird eine physikalische Interpretation des Messsignals möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Anthony Pickett