Entwicklung einer Methodik zur effizienten, mechanischen Werkstoffcharakterisierung und Modellierung endlosfaserverstärkter Thermoplaste unter Langzeitbelastung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sebastian Schmeer
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541861448

Endlosfaserverstärkte Thermoplaste (cFRTP) können durch ihre hohe Leichtbaugüte und Werkstoffrecycling auf Compoundebene einen wichtigen Beitrag zum Thema Nachhaltigkeit und Klimaschutz liefern. Für die verlässliche und optimierte Auslegung von solchen Komponenten sind die genaue Kenntnis des Werkstoffverhaltens und dessen akkurate Beschreibung in Form von numerischen Werkstoffmodellen essentiell. Eine wesentliche Problematik ist hierbei das komplexe, hochgradig nichtlineare Werkstoffverhalten von cFRTP welches das Resultat verschiedener gleichzeitig auftretender Effekte im Material ist. In der Praxis gängige Methoden wie klassische Zugprüfungen oder Kriechversuche sind nicht in der Lage einzelne Effekte zu separieren und führen daher zu einer hohen Anzahl an Versuchen. Insbesondere bei Langzeituntersuchungen mit Einzelprüfdauern von mehreren Wochen oder Monaten resultiert dies in großen Prüfaufwänden. Zudem ist das Werkstoffverhalten unter biaxialen Langzeitbelastungen, aufgrund des hohen Prüfaufwandes, aktuell noch wenig erforscht. Hinsichtlich der Werkstoffcharakterisierung ergibt sich folglich die Notwendigkeit einer Methodik, welche die experimentelle Untersuchung der komplexen Werkstoffphänomenologie auf effiziente Weise ermöglicht. Zudem wird für die akkurate Vorhersage des mechanischen Werkstoffverhaltens ein geeignetes Materialmodell benötigt. In Vorarbeiten wurde eine Methodik erdacht, die einen Ansatz für eine effiziente Charakterisierungsmethode und ein zugehöriges Materialmodell für cFRTP aufzeigt. Der Ansatz basiert auf dem mechanischen Konzept einer „Gleichgewichtskurve“, die das Werkstoffverhalten in einen ratenunabhängigen Gleichgewichts- und einen ratenabhängigen Überspannungsanteil aufspaltet. Mit dem vorgestellten Stufenrelaxationsversuch (SRV) war es in einem Beispiel möglich beide Anteile klar zu isolieren und über nur einen Versuch das Relaxations-, Schädigungs- und Plastifizierungsverhalten zu bestimmen. Über ein Extrapolationsverfahren für die Relaxationsperioden konnte zudem eine deutliche Reduktion der notwendigen Prüfzeiten zur Ermittlung des Langzeitwerkstoffverhaltens erreicht werden. Mittels der experimentellen Daten konnten die Parameter des zugehörigen Materialmodells direkt bestimmt werden, sodass auch die Modellkalibrierung deutlich vereinfacht wurde. Zudem konnte exemplarisch gezeigt werden, dass das Modell das Potential bietet langwierige Kriechversuche durch genaue Modellvorhersagen zu substituieren. Basierend auf den vielversprechenden Vorarbeiten soll im vorgeschlagenen Projekt der aufgezeigte Ansatz auf eine breitere Basis gestellt und hinsichtlich der Anwendung auf cFRTP tiefgehend validiert werden. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei die Erweiterung dieser zunächst auf uniaxiale Fälle begrenzten Methode auf biaxiale Langzeitbelastungen, um ein komplettes Gesamtbild und grundlegendes Verständnis des Werkstoffverhaltens zu erarbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen