Experimentelle Analyse und numerische Modellierung des Einflusses von Haftfäden auf das Werkstoff- und Schädigungsverhalten von FKV-Laminaten unter quasi-statischer und zyklischer mechanischer Belastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maik Gude
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555932565

Der Einsatz endlosfaserverstärkter Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) in Serienanwendungen erfordert die Bereitstellung von Faser-Halbzeugen, die nicht nur anwendungsspezifische, sondern auch verarbeitungstechnische Anforderungen erfüllen. Hierfür haben sich Halbzeuge als Rollenware etabliert. Zum Zwecke der Herstellung und Verarbeitung sind die in Rollenform vorliegenden Faserhalbzeuge, wie etwa Gelege, mit Haftfäden versehen, die eine ausreichende Handhabbarkeit gewährleisten. Die Haftfäden bestehen in der Regel aus temperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoffen, die nach der Verbundherstellung im Werkstoff verbleiben. Sie stellen damit initiale Störstellen im Verbundbauteil dar, die die Schädigungsinitiierung und den Schädigungsverlauf prägen. Es ist bisher nicht wissenschaftlich geklärt, wie diese Haftfäden den lokalen Beanspruchungszustand und die Beanspruchbarkeit des FKV beeinflussen und inwiefern die Entstehung von Zwischenfaserbrüchen im Verbund durch Geometrie und Anordnung der Haftfäden beeinflusst wird, so dass aktuell ein effizienter Materialeinsatz erschwert ist. Ziel des Vorhabens ist ein tiefgehender Verständnisgewinn zum Einfluss der Haftfäden auf das Werkstoffverhalten mit Hilfe experimenteller sowie numerischer Methoden. Exemplarisch sollen glasfaserverstärkte Epoxidharzverbunde (GF-EP) mit unidirektionaler und bidirektionaler Verstärkung und unterschiedlicher Haftfadenanordnungen hinsichtlich des Schädigungsverhaltens charakterisiert werden. Hierbei sind quasi-statische Zug- sowie zugschwellende Ermüdungsbelastungsversuche vorgesehen, womit umfangreiche Erkenntnisse zum Einfluss der Haftfäden auf das Werkstoffverhalten gewonnen werden. Durch begleitende Finite-Elemente-Simulationen sollen zum einen mittels mikromechanischer Modellierungen, die den Haftfaden und die tatsächlichen Rissverläufe berücksichtigen, die kritischen Bruchenergien des GF-EP-Grundwerkstoffs und des Haftfadens separat bestimmt werden. Mithilfe anschließender mesoskopischer Modellierung der Zwischenfaserbruchbildung sollen Übertragungsfunktionen abhängig von den Störstelleneigenschaften bestimmt werden, die eine Nutzbarmachung der mikrostrukturellen Erkenntnisse in homogenisierten Laminatschichten ermöglichen. Im beantragten Vorhaben werden somit erstmalig umfassende experimentelle und numerische Untersuchungen zum Einfluss von Störstellen und speziell Haftfäden auf das Schädigungsverhalten uni- und bidirektional verstärkter FKV durchgeführt. Die mehrskalige Herangehensweise verspricht tiefgehende Erkenntnisse zum Schädigungsverhalten störstellenbehafteter FKV unter ebener Belastung, die der Ingenieurpraxis als wichtige Grundlage zur Gestaltung und Dimensionierung von textilverstärkten Verbundbauteilen dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen