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Studierende vor dem Optoelektronik-Gebäude P8, Foto: Universität Paderborn, Fotografin: Judith Kraft
Forschungsprojekte
Prof. Dr.-Ing. Bernd Henning
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Studierende vor dem Optoelektronik-Gebäude P8, Foto: Universität Paderborn, Fotografin: Judith Kraft

Ein ultraschallbasiertes Messverfahren unter Berücksichtigung viskoelastischer Eigenschaften zur Charakterisierung der Faser-Matrix-Haftung bei Organoblechen sowie deren realitätsnahe Modellierung

DFG Projektnummer:

495847374

Kurzfassung:

Faserverbundkunststoffe gewinnen aufgrund der vorteilhaften Synergie zwischen leichten Kunststoffen und  strapazierfähigen Fasern zunehmend an Bedeutung. Vor allem für die Automobilindustrie weisen sie aufgrund des geringen Gewichtes eine hohe Attraktivität auf. Das Materialverständnis ist bisher jedoch unzureichend, vor allem für Thermoplast-basierte Faserverbundkunststoffe. Die Eigenschaften der Faserverbundkunststoffe werden dabei maßgeblich von der Faser-Matrix-Haftung (FMH) beeinflusst, weshalb deren Bestimmung zur Beurteilung der Qualität von großem Interesse ist. Allerdings existieren bisher lediglich zerstörende Prüfverfahren an speziell hergestellten Probekörpern (bspw. „Single-Fiber Pull-Out Test“). Eine zerstörungsfreie Charakterisierung und Überwachung der FMH für reale Bauteile ist damit nicht möglich.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines ultraschallbasierten Messverfahrens, welches die Charakterisierung der Faser-Matrix-Haftung bei Organoblechen ermöglicht, sowie deren realitätsnahe Modellierung. Anknüpfungspunkte dafür sind einerseits die Klassische Laminattheorie (KLT), welche ein etabliertes Verfahren zur Auslegung von Mehrschichtverbunden darstellt, sowie andererseits ein akustisches Messverfahren auf Basis von Lamb-Wellen in Plattenwellenleitern, welches am Fachgebiet Elektrische Messtechnik entwickelt wurde. Die Klassische Laminattheorie nimmt eine ideale Haftung zwischen den Einzelelementen des Mehrschichtverbundes an, weshalb zur Erreichung der Zielstellung zunächst eine Erweiterung auf eine nicht-ideale FMH erfolgen muss. Außerdem werden hochfrequente akustische Wellen in Faserverbundkunststoffen von den viskoelastischen Eigenschaften des Materials beeinflusst. Wie in Vorarbeiten gezeigt werden konnte, führen diese zu einer Abweichung zwischen quasistatisch und akustisch bestimmten Materialparametern (z.B. E-Modul). Daher muss das akustische Messverfahren erweitert bzw. angepasst werden, um diese zu berücksichtigen. Durch die anschließende Verknüpfung der beiden Verfahren wird ein neuartiges Messverfahren entwickelt, welches die Identifikation der komponentenbezogenen Parameter des erweiterten KLT-Modells anhand des makroskopischen Gesamt-Materialverhaltens erlaubt. Da dieses Verfahren zerstörungsfrei arbeitet, soll damit auch die Machbarkeit bzw. prinzipielle Eignung des hier entwickelten Messverfahrens für eine spätere Anwendung zur vorbeugenden Instandhaltung, Langzeit-Materialüberwachung und 100%-Prüfung gezeigt werden. Mit diesen Werkzeugen wird der Einfluss der FMH anhand ausgewählter Materialkombinationen, d. h. durch Variation der FMH, untersucht, um das Materialverständnis in diesem Bereich aufzubauen und zukünftig beispielsweise bei der Bauteilauslegung berücksichtigen zu können.

Kooperationspartner:

Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer (Kunststofftechnik Paderborn, Universität Paderborn) 

Projektlaufzeit:

2022 bis 2025

Ansprechpartner

Tim Hetkämper, M.Sc.

Measurement Engineering

Schlieren technique, Evaluation circuits

Tim Hetkämper
Phone:
+49 5251 60-4944
Office:
P1.5.18.3
Web:

The University for the Information Society