Mehrskalensimulation von geklebten Faserverbundwerkstoffen

Aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften haben sich faserverstärkte Kunststoffe im modernen Flugzeugbau fest etabliert. Das strukturelle Kleben ist eine Fügetechnologie, welche für diese Werkstoffe erhebliche Vorteile bietet. Klebeverbindungen ermöglichen allgemein Konstruktionen mit hoher Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Insbesondere bei Faserverbundwerkstoffen erlauben Klebungen dünnere Wandstärken und keine Schwächung der Fügeteile, eine gleichmäßigere Spannungsverteilung gegenüber Schraub- oder Nietverbindungen und eine gute Schwingungsdämpfung. [1]

Die sichere Anwendung lasttragender Klebungen in der Luft- und Raumfahrt ist jedoch noch Gegenstand aktueller Forschung. Eine wesentliche Herausforderung ist dabei die zuverlässige Vorhersage der Lebensdauer und des Schädigungsverhaltens der Klebeverbindung. Während das Sicherstellen der Adhäsion bereits zuverlässig beherrscht wird [2], zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit des Risswachstums in belasteten Faserverbundklebungen von der Fügeteiltopografie [3].

In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden für die Prozessqualifizierung häufig Materialtests an Coupon-Proben durchgeführt. Aufgrund der Größe dieser Proben können Effekte im Mikrometerbereich nur überlagert erfasst werden. Dies ist bei einem Material wie CFK besonders problematisch, da es auf der Mikroskala sehr inhomogen ist. Daher wurde eine Methodik entwickelt, um Materialprüfungen in einem Maßstab durchzuführen, in welchem der Einfluss der Mikrostruktur erfasst werden kann. Zu diesem Zweck werden miniaturisierte Probekörper hergestellt und in einer Materialprüfmaschine in einem Rasterelektronenmikroskop geprüft. Die unter Belastung auftretenden Verformungen in der Klebschicht und im klebschichtnahen Bereich der Fügeteile können so im Mikrometermaßstab erfasst und anschließend mittels digitaler Bildkorrelation ausgewertet werden. In Kombination mit numerischen Simulationen ermöglicht dies ein besseres Verständnis des mikromechanischen Verhaltens der Klebung.

Untersuchung von Faserverbundklebungen

• Untersuchung des Einflusses der Fügeteiltopographie auf die Lebensdauer von Klebeverbindungen

Methodenentwicklung zur in situ Dehnungserfassung an Polymeren im Mikrometerbereich

• Entwicklung einer Methodik zur zerstörenden Prüfung von Probekörpern im Rasterelektronenmikroskop
• Anwendung von Bildkorrelationsalgorithmen zur vollflächigen Erfassung von Verzerrungen in der Klebschicht und den Fügeteilen unter Last
• Charakterisierung von Schädigungsmechanismen der Klebschicht im Mikrometerbereich

Simulation

• Aufbau von FE-Simulationsmodellen geklebter Faserverbundwerkstoffe im Milli- und Mikrometermaßstab
• Validierung der Modelle anhand der experimentell ermittelten Dehnungsverteilungen

Im Projekt konnte bereits gezeigt werden, wie sich das Verhalten geklebter Faserverbundwerkstoffe unter Last im Mikrometermaßstab quantitativ untersuchen lässt.

Ein Schwerpunkt lag auf der Erzeugung eines stochastisch verteilten Musters mit hohem Kontrast im Rasterelektronenmikroskop, welches für die Dehnungsermittlung mittels Bildkorrelation notwendig ist.

Die in dieser Studie entwickelte Methodik für eine experimentelle Untersuchung von Klebungen im Mikrometermaßstab liefert bereits wertvolle Erkenntnisse über die Bruchmechanik in der Klebschicht. Damit ist eine systematische Untersuchung verschiedener Konfigurationen aus Fügeteilen und Klebstoffen möglich, was zu einem signifikanten Erkenntnisgewinn und einer besseren Vorhersagbarkeit der Lebensdauer von Klebungen beiträgt.