Charakterisierung und Modellierung des laserbasierten Trennprozesses und der resultierenden Schädigungsmechanismen von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen unter Ermüdungsbeanspruchung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Peter Jäschke; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436398518

Ziel des Forschungsprojekts ist die Simulationsentwicklung zur Bestimmung von Temperaturfeldern bei der Laserbearbeitung und die Charakterisierung der Auswirkungen auf die Schädigungsentwicklung und mechanismen von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) unter zyklischer Belastung. Dazu wird unidirektionales (UD) CFK mit verschiedenen Matrixwerkstoffen, duroplastisches Epoxidharz (EP) und thermoplastisches Polyamid 6.6 (PA) hergestellt und mittels Laserbearbeitung zugeschnitten. Der zu trennende Werkstoff verdampft dabei unmittelbar im Laserstrahlfokus und erzeugt thermisch induzierte Schädigungen, die als Wärmeeinflusszonen (WEZ) bezeichnet werden. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften, bei überlagerter mechanisch-thermischer Beanspruchung, werden Ermüdungsuntersuchungen durchgeführt. Integrierte Faser-Bragg-Gitter- (FBG) Sensorik sowie Thermoelemente bilden die Grundlage der Dehnungs- und Temperaturmessung während der Laserbearbeitung und mechanischen Prüfung. Um Rückschlüsse auf Schädigungsmechanismen des CFK zu erhalten, werden in einem weiteren Schritt intermittierende in-situ Computertomographie- (CT) Untersuchungen durchgeführt und mit den vorangegangenen Ergebnissen korreliert. In Kombination mit den experimentellen Untersuchungen soll eine Simulation entwickelt werden, die in Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffs und Laminataufbaus den Bearbeitungsprozess in Intensität, Geschwindigkeit und Materialabtrag beschreibt und die entstehenden Temperaturfelder während der Bearbeitung des gefertigten Bauteils voraussagt. Anhand dieser Daten soll die Ausprägung der WEZ ermittelt werden. Durch eine parallel mitlaufende Verifikation der Ergebnisse anhand von Experimenten, wird die Simulation iterativ optimiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen