Ermüdungsprüfung für Komposite

Aus einer Polymermatrix hergestellte, mit Fasern verstärkte Komposite haben in zahlreichen Sektoren eine wichtige Rolle bei der Verringerung der Umweltbelastung gespielt. Sie reduzieren das Gewicht vieler Bauteile und Systeme und weisen überdies ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf.

Die zunehmende Verbreitung von faserverstärkten Kunststoffen in sicherheitskritischen Bauteilen ist Ausdruck der Notwendigkeit von modernen und hochgenauen Test- und Fehlerkriterien. Das EU-finanzierte Projekt MIFACRIT legte den Grundstein für einen Methoden-Werkzeugkasten für beschleunigte mehrachsige Ermüdungstests mit höchstgenauen Fehlerkriterien. Schwerpunkt waren einlagige und mehrlagige sandwichförmige oder gestapelte Komposite für die Luft- und Raumfahrtindustrie.

Eine mehrachsige Ermüdungsbelastung ist, wie es der Name schon sagt, eine Belastung entlang von mehr als nur einer der drei Achsen des rechtwinkligen (kartesischen) Koordinatensystems. Bislang gingen die meisten Diskussionen zyklischer Belastungen von uniaxialer Belastung aus. Im wirklichen Leben unterliegen jedoch viele Systeme wie etwa rotierende Wellen und zahllose Fahrzeug- und Flugzeugteile einem mehrachsigen Zustand der zyklischen Beanspruchung.

MIFACRIT untersuchte diese Situation für den Fall der faserverstärkten Kunststoffe. Seine große Stärke ist das Zusammenspiel zwischen umfassenden Experimenten und modernen rechnerischen Methoden unter Einsatz von Simulationen aus der Bruch- und Schädigungsmechanik.

Materialtests vereinten eine viskoelastische Charakterisierung unter konstanter Belastung und Stresstests bei zyklischer Belastung. Sowohl die Temperatur- als auch die Frequenzparameter wurden variiert. Die zweistufige mathematische Modellierung erfasste sowohl lokale als auch globale Beschreibungen. Die Resultate der Simulationen wurden mit den experimentellen Werten auf eine reiterative Weise verglichen, um eine Feinabstimmung der Modelle vorzunehmen. Man bestimmten die Schwellenwerte für die verschiedenen Kriterien.

MIFACRIT entwickelte die Verfahrensweise zur Erfassung der elastischen Eigenschaften sowie des Fehler- und Schädigungsverhaltens der faserverstärkten Kunststoffe durch Bewertung mechanischer Effekte innerhalb der Mikrostruktur unter verschiedenen Belastungsbedingungen. Eine weitere Optimierung wird die Zuverlässigkeit der bewerteten Eigenschaften erhöhen und eine genaue Vorhersage der Lebensdauer von faserverstärkten Kunststoffen unter mehrachsigen Lastbedingungen gewährleisten. Das wiederum wird eine schnellere Fertigung hochwertiger, sicherheitskritischer Bauteile ermöglichen.