Charakterisierung und Modellierung der Ermüdungseigenschaften von thermoplastischem CFK vom HCF- bis in den VHCF-Bereich durch Hochfrequenz-Methoden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Balle; Privatdozent Dr.-Ing. Jörg Martin Hohe; Dr.-Ing. Thomas Straub
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547463967

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit Endlosfasern werden als Hochleistungswerkstoffe in vielen Bereichen des Leichtbaus eingesetzt. Unlängst finden zunehmend Materialien mit thermoplastischen Matrixsystemen Anwendung aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitiger Wiederverwertungsoption. Weiterhin weisen CFK im Allgemeinen eine hohe Ermüdungsfestigkeit mit nur schwach geneigten Wöhlerkurven im LCF- und HCF-Bereich auf. Ihr Ermüdungsverhalten im VHCF-Bereich mit extrem hohen Zyklenzahlen, beispielsweise im Bereich der Windenergie, ist weitgehend ungeklärt. Es ist nicht bekannt, ob eine Dauerfestigkeitsgrenze existiert oder ob sich das HCF-Verhalten in den VHCF-Bereich fortsetzt. Dies ist den langen Versuchszeiten bei Zyklenzahlen von 108 und darüber geschuldet. Auf der Berechnungsseite werden meist Ansätze vom Wöhler-Miner-Typ verwendet. Dreidimensional formulierte Modelle, die die Berücksichtigung des mehraxialen Spannungszustands und allgemeiner zyklischer Belastungsgeschichten erfassen können, sind nur in Ansätzen vorhanden. Eine durchgängige, vom HCF- bis in den VHCF-Bereich einsetzbare Formulierung steht bisher aus. Hier setzt das beantragte Projekt an. Zunächst soll das Degradations- und Schädigungsverhalten thermoplastischer CFK-Materialien (CF-PAEK mit UD- und MD-Lagenaufbau) experimentell untersucht werden. Ziel dabei ist es, zu einem umfassenden Verständnis der Materialdegradation und Schädigung unter VHCF-Belastung einschließlich möglicher Mechanismenübergänge zu gelangen. Hierzu ist die entsprechende Versuchstechnik zu etablieren. Im Rahmen des Projekts sollen zwei komplementäre Techniken weiterentwickelt werden. Die Mikroprobentechnik (IWM) ermöglicht ein einzigartiges optisches in-situ Verfahren, das Hochfrequenzexperimente mit hoher Auflösung und zuverlässigen Ergebnissen kombiniert und gleichzeitig eine neuartige Methode zur Erkennung und Detektion von Ermüdungsschädigungen von der Mikrorissinitiierung bis zum Versagen bietet. Im VHCF-Bereich kommt die im Rahmen des SPP 1466 (Infinite Life) entwickelte Ultraschallermüdung (INATECH) zum Einsatz. Beide Techniken sind in dieser Form für CFK nur wenig erprobt und hierfür gegeneinander zu qualifizieren incl. Fragen zum Prüfvolumen und des Frequenzeinflusses unter Ausnutzung des Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzips zu beantworten. Dazu wird die Ultraschallermüdung erstmalig bei erhöhten isothermen Bedingungen für CFK am INATECH realisiert. Die mechanischen Versuche werden durch umfassende Analytik zur Klärung der mikromechanischen Versagensmechanismen ergänzt. Die Experimente werden durch die Entwicklung und FEM-Implementierung eines Schädigungsmaterialmodells zur Beschreibung von Degradation und Versagen komplementiert. Das Modell soll eine zuverlässige Vorhersage der Ermüdungsdegradation im HCF und VHCF-Bereich erlauben. Sein Einsatz wird anhand eines relevanten Beispiels in Kooperation mit zwei Gastwissenschaftlern demonstriert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen