Chara-TPC – Charakterisierungsmethoden für thermoplastische Composites

Verbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix, sogenannte thermoplastische Composites (TPC), werden aufgrund ihres Leichtbaupotenzials zunehmend in Schlüsselindustrien eingesetzt. Sie bieten durch ihre Wiederaufschmelzbarkeit und geringen Zykluszeiten die Möglichkeit, einen wichtigen Beitrag für die Umweltverträglichkeit und die Wettbewerbsfähigkeit neuer Produkte zu leisten. Eine besondere Rolle nehmen endlosfaserverstärkte thermoplastische Composites (eTPC) ein, die sich aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften zum Einsatz in strukturell tragenden Bauteilen besonders eignen. Ein Anwendungshemmnis ist das häufige Fehlen vollständig vergleichbarer und effizient ermittelter Werkstoffkennwerte für komplexe Belastungsfälle - diese sind jedoch von Relevanz für die Bauteilauslegung.

Ziel des Projektes Chara-TPC ist die Entwicklung neuer, effizienter Charakterisierungsmethoden für komplexe Belastungsfälle von eTPC zur Generierung von vergleichbaren Materialkennwerten. Dadurch können sowohl das mechanische Potenzial dieser Werkstoffklasse ausgeschöpft als auch die Hürden für eine Großserienanwendung gesenkt werden.

In der Projektlaufzeit von Januar 2020 bis September 2022 werden Methoden zur Charakterisierung von kurzzeitdynamischen, mehraxialen und Langzeit-Belastungen von Hochleistungsbauteilen aus eTPC sowie Verbindungsstellen von Hybridbauteilen mit eTPC entwickelt. In einem der Methodenentwicklung vorgelagerten Schritt befasst sich das IVW zudem mit der Plattenfertigung in einem statischen Pressprozess, der Rohrprobe-körperfertigung in einem innovativen Tapelegeprozess und der Probekörperpräparation hinsichtlich Effizienz und Qualität (Abbildung 1).

Zur Charakterisierung des Langzeitverhaltens liegt der Fokus auf der Entwicklung von Kriechversuchen für unterschiedliche Belastungsfälle. Die Prüfmethodik zur Beschreibung des Kurzzeitverhaltens umfasst die Ermittlung des Energieabsorptionsvermögens von eTPC im Crashversuch sowie die Beschreibung des Zug-, Schub- und Biegeverhaltens im Schnellzerreißversuch (Abbildung 2). Bei der Charakterisierung von hybriden Verbindungstellen steht die Anbindung von kurz-/langfaser-verstärkten TPC zu eTPC sowie von Metall zu eTPC im Fokus. Zur Beschreibung des mehraxialen Belastungsverhaltens von eTPC wird eine Prüfmethodik entwickelt, die die materialspezifische Bruchkurve effizient, d.h. mit wenig experimentellem Materialeinsatz, ermittelt. Hierzu werden die Belastungsfälle bei überlagerter Zug- und Schubbelastung sowie Druck- und Schubbelastung detailliert betrachtet. Dabei kommen Rohrprobekörper zum Einsatz (Abbildung 3). Die entwickelten Prüfmethoden werden jeweils simulativ optimiert und am Beispiel zweier industrierelevanter Tape-Referenzmaterialien experimentell validiert. Zur Validierung wurde ein glasfaserverstärktes Polypropylen (GF-PP) und ein kohlenstofffaserverstärktes Polycarbonat (CF-PC) Tapematerial ausgewählt.

Das Projekt „Chara-TPC - Aufbau eines Charakterisierungs-Zentrums in RLP für thermoplastische Composites“ wird vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und dem Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Landwirtschaft und Weinbau (MWVLW) gefördert (Förderkennzeichen: 84005413).

Kontakt:

Florian Mischo, Dipl.-Ing.
Wiss. Mitarbeiter Crash & Energieabsorption
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Str. 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 (0) 631/2017-407
E-Mail: florian.mischo@ivw.uni-kl.de

Sebastian Schmeer, Dr.-Ing.
Stellvertretender Abteilungsleiter Bauteilentwicklung & Kompetenzfeldleiter Crash & Energieabsorption
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Str. 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 (0) 631/2017-322
E-Mail: sebastian.schmeer@ivw.uni-kl.de