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

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Henning Zeipert

Measurement Engineering

Transducer design, characterisation of multi-layer systems

Write email +49 5251 60-3021
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Dr.-Ing. Leander Claes

Measurement Engineering

Acoustic field simulation, fluid characterization

Write email +49 5251 60-4950

Pro­jekt­bezo­gene Pub­lika­tion­en

Lamb wave based approach to the determination of acoustic material parameters

S. Johannesmann, L. Claes, N. Feldmann, H. Zeipert, B. Henning, Tm - Technisches Messen 89 (2022) 493–506.

Estimation of viscoelastic material parameters of polymers using Lamb waves

S. Johannesmann, L. Claes, B. Henning, in: Fortschritte Der Akustik - DAGA 2022, 2022, pp. 1401–1404.

Inverses Verfahren zur Bestimmung viskoelastischer Materialparameter

S. Johannesmann, Inverses Verfahren Zur Bestimmung Viskoelastischer Materialparameter, Workshop “Messtechnische Anwendungen von Ultraschall”, Drübeck, 2022.

Einfluss der periodischen Struktur auf geführte Wellen in gewebeverstärkten Polymeren

L. Claes, in: D. Gesellschaft für Akustik e.V. (Ed.), Fortschritte Der Akustik - DAGA 2024, 2024, pp. 620–623.

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