Beitrag zum Materialverständnis von langfaserpatch-verstärkten Bauteilen

Faserverbundwerkstoffe werden aufgrund ihres Leichtbaupotenzials bevorzugt eingesetzt, wenn hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht benötigt wird. Eine lastpfadgerechte Auslegung ermöglicht die optimale Ausnutzung der Leistungsfähigkeit von Faserverbundwerkstoffen. Diese Gestaltung führt zu komplexen Faserverläufen, welche nicht mehr oder nur mit hohem händischem Aufwand mit den klassischen Textilhalbzeugen abgebildet werden können. Aus diesem Grund wurden automatisierte Ablegeverfahren entwickelt, welche Bauteile mit komplexer Faserarchitektur herstellen können. Das Fiber Patch Placement Verfahren ist ein neuartiges Ablegeverfahren, bei dem die Verstärkungsfasern als kurze Faserstücke, sogenannte Patches, abgelegt werden. Hierdurch werden komplexe Faserverläufe ohne die typischen Defekte wie Faserwellungen möglich. Die erhöhte Designflexibilität führt allerdings zu einem steigenden Aufwand in der Auslegung, da der Faserverlauf aufgrund der definierten Länge der Patches in regelmäßigen Abständen unterbrochen ist. Ziel dieser Arbeit ist es, Materialverständnis aufzubauen, um eine zielgerichtete Gestaltung mit Patches zu ermöglichen. Hierfür werden in einem ersten Schritt im Rahmen einer grundlegenden Materialcharakterisierung die wichtigsten geometrischen Gestaltungsparameter, wie beispielsweise Patch-Länge oder Patch-Dicke, im Zugversuch bei axialen Belastung untersucht und deren Einfluss auf die Festigkeit und Steifigkeit quantifiziert. Hierbei zeigt sich, dass die Steifigkeit nur gering durch die Variation dieser Parameter beeinflusst wird, die Festigkeit vor allem durch den Parameter Patch-Dicke sehr deutlich beeinflusst wird. Hier reduziert sich die Festigkeit um 48,7 % bei einer Verdreifachung der Patch-Dicke. Zusätzlich wird ein dreidimensionales numerisches Modell vorgestellt, welches sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen zeigt und hierdurch die Möglichkeit gibt, mit geringem Aufwand den Einfluss von verschiedenen geometrischen Gestaltungsfaktoren zu untersuchen. Aufbauend auf den Ergebnissen wird die Materialcharakterisierung von der Betrachtung einer axialen Belastung zu einer vom Faserverlauf abweichenden Belastungsrichtung überführt, wie sie bei der Belegung von gekrümmten Lastpfaden auftreten. Auf Basis der Ergebnisse werden Gestaltungsrichtlinien entwickelt und in Bezug zur Produktivität des Verfahrens gesetzt. Ein Transfer in die Anwendung schließt die Arbeit ab.