Faserverbundwerkstoffe Festigkeit voll nutzen

Die Einbeziehung der Laminat-Schichtdicke in die Festigkeitsanalyse von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) erlaubt jetzt auch die Berücksichtigung höherer Festigkeiten quer zur Faserrichtung.

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Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

GGB Heilbronn GmbH

Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der Rheinisch-Westf. TH Aachen

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) sind inzwischen in vielen technologischen Bereichen etabliert. Glasfaser- und vor allem kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe besitzen hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeiten. Insbesondere wegen der daraus resultierenden Leichtbaueigenschaften erhalten sie zunehmend Vorzug vor konventionellen, homogenen Werkstoffen. Hochleistungsbauteile aus FVK werden dabei in der Regel als Laminate aus Endlosfasern gefertigt, deren Länge den Abmaßen des fertigen Bauteils entspricht.

Zusätzliche Effekte in Festigkeitsberechnungen integrieren

Die gängige, moderne Festigkeitsanalyse von Laminaten aus endlosfaserverstärktem Kunststoff findet schichtweise für jede unidirektionale Laminatschicht statt. Die Festigkeitskriterien für solche Einzelschichten haben mittlerweile eine hohe Genauigkeit erreicht. Das schichtweise Vorgehen greift auf Festigkeitskennwerte zurück, die an freiliegenden Einzelschichten ermittelt und als konstant angenommen werden. Seit langer Zeit ist jedoch bekannt, dass in einem realen Laminat zusätzliche Effekte auftreten, wie zum Beispiel Wechselwirkungen zwischen den Einzelschichten und Größeneffekte. Diese „in situ“-Effekte werden bei einer Festigkeitsanalyse in der Praxis kaum berücksichtigt. Das liegt vor allem daran, dass noch keine geeigneten Modellansätze zur Verfügung stehen, die mit akzeptablem Aufwand in die Vorgehensweise der modernen Festigkeitsanalyse integriert werden können. Es existiert noch kein anwendbares Gesamtmodell, das aufgrund zufrieden stellender Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen empfohlen werden kann und in eine Software zur Laminatauslegung implementiert ist.

Ziel der laufenden Forschungsarbeiten ist die Entwicklung eines solchen Modells zur Bestimmung der Festigkeiten von Einzelschichten in Abhängigkeit ihrer Schichtdicken. Dazu wird ein in der Literatur bestehender Modellansatz zur Vorhersage der fasersenkrechten Zug- und der Schubfestigkeit unter Berücksichtigung der Schichtdicke um die Vorhersage der fasersenkrechten Druckfestigkeit erweitert. Das Gesamtmodell wird experimentell verifiziert und anschließend in eine aktuelle Software zur Laminatauslegung implementiert.

Fehlstellen im Material berücksichtigen

Grundlegende Idee des Vorhersagemodells ist die Vorstellung, dass in jeder Einzelschicht werkstoff- und verfahrensimmanente Fehlstellen vorhanden sind. Diese Fehlstellen sind regellos im Werkstoff verteilt. Das quasi-spröde Werkstoffverhalten einer typischen Epoxidharzmatrix erlaubt die Verwendung der sog. „weakest link“-Theorie. Demnach besteht die Struktur eines spröden Werkstoffs aus einer Vielzahl an zerbrechlichen Einzelelementen. Es gilt die Annahme, dass die Gesamtstruktur versagt, sobald ein Einzelelement versagt. Eine Struktur größeren Volumens verfügt über mehr Einzelelemente als eine Struktur kleineren Volumens. Nun ist es eine Frage der Wahrscheinlichkeit, dass das größere Volumen über eine höhere Anzahl an Fehlstellen verfügt. Bei einer kritischen Spannung, also einer Kraft pro Querschnittsfläche, ist demnach die Wahrscheinlichkeit eines Totalversagens der größeren Struktur höher. Dickere Einzelschichten weisen demnach absolut mehr Fehlstellen auf und sollten daher geringere Festigkeiten aufweisen.

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