Werkstoffverständnis bis zum Bruch
Die mechanische Beschreibung von Faser-Thermoplast-Verbunden ist anspruchsvoll. Zum einen erfordert das mechanisch nicht lineare, orthotrope Werkstoffverhalten die Charakterisierung von insgesamt fünf Werkstofffunktionen zur vollständigen Beschreibung des Spannungs-Dehnungsverhaltens. Zum anderen ist das Versagensverhalten stark vom jeweiligen Beanspruchungszustand und der Wechselwirkung einzelner Spannungskomponenten abhängig, wodurch die Modellierung zusätzlich erschwert wird.
Um das volle Potenzial dieser Werkstoffe in der Praxis ausschöpfen zu können, verfolgen wir folgenden Ansatz:
Experimentelle Charakterisierung
Die exakte Charakterisierung des mechanischen Werkstoffverhaltens ist entscheidend für eine effiziente Bauteilauslegung von Faser-Kunststoff-Verbunden. Dabei kommt der Auswahl und Anwendung geeigneter experimenteller Methoden zur Bestimmung der Werkstoffkennwerte besondere Bedeutung zu. Im Unterschied zu metallischen Werkstoffen wie Stahl oder Aluminium, bei denen in der Regel zwei Kennwerte (Elastizitätsmodul und Querkontraktionszahl) ausreichen, müssen bei Faser-Kunststoff-Verbunden im ebenen Spannungszustand insgesamt vier, und im allgemeinen Spannungszustand sogar fünf Kennwerte bestimmt werden. Dies erfordert den Einsatz mehrachsiger Prüftechniken in Kombination mit präzisen Messverfahren, wie beispielsweise optischer Dehnungsmessung.
Für unsere Werkstoffe setzen wir genau diesen Ansatz um und schaffen damit die Voraussetzung, ihr volles mechanisches Potenzial in der Anwendung gezielt auszuschöpfen.
Werkstoffmodellierung auf eigener Datenbasis
Bruchkurve von Kohlenstofffaser-Polyamid-6 (CF-PA6) im ebenen Spannungszustand
Die ermittelten Werkstoffkennwerte müssen für Konstrukteure und Bauteilausleger praxisgerecht nutzbar gemacht werden. Die besondere Herausforderung liegt dabei in der Beschreibung der Versagensmechanismen, da Faser-Kunststoff-Verbunde je nach Spannungsinteraktion unterschiedliche Versagensformen zeigen können.
Zu diesem Zweck haben wir ein eigenes Werkstoffmodell entwickelt, das eine nicht lineare Beschreibung von Faser-Thermoplast-Verbunden ermöglicht und ein passendes Versagensmodell integriert. Damit schaffen wir einen einfachen und effektiven Zugang zur Auslegung hoch beanspruchter Bauteile auf Basis unserer Werkstoffe.
Unser Modell baut auf den Ergebnissen mehrjähriger Forschungsarbeiten des Leibniz-Instituts für Verbundwerkstoffe (leibniz-ivw.de) auf. In enger Zusammenarbeit mit dem Institut passen wir die Modellierung kontinuierlich an unsere neuen Werkstoffe an.
Faserverbundgerechte Bauteilauslegung
Unsere Werkstoffe besitzen ein enormes Potenzial – vorausgesetzt, sie werden gezielt und korrekt eingesetzt. Aufgrund ihres richtungsabhängigen mechanischen Verhaltens erfordern Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden spezifische konstruktive Gestaltungsprinzipien. Besonders kritisch sind Bereiche der Lasteinleitung sowie stabilitätsgefährdete Zonen. Durch gezielte konstruktive Anpassungen kann hier eine wirtschaftliche, funktionsgerechte und materialspezifische Auslegung erreicht werden.
Eine bloße Substitution konventioneller Metallbauteile durch Faser-Kunststoff-Verbunde führt in der Regel nicht zum gewünschten Ergebnis.
Als Entwickler und Hersteller dieser Werkstoffe verfügen wir über tiefgehendes Know-how und unterstützen Sie dabei, ihr volles Potenzial gezielt für Ihre Anwendung zu nutzen – auf Wunsch auch durch FEM-gestützte Auslegung und Analyse. Hierfür setzen wir unser eigenes Werkstoffmodell ein, das speziell für die nicht lineare Beschreibung und das Versagensverhalten unserer Faser-Thermoplast-Verbunde entwickelt wurde.
