Nachhaltige High-Performance Werkstoffe für die Serie

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AVK-Arbeitskreis „endlosfaserverstärkte Thermoplaste (cFRTP)“ stellt sich vor

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix (continuous fiber reinforced thermoplastics – cFRTP) bieten eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber Materialvarianten mit duroplastischer Matrix. Sie zeichnen sich durch geringere Prozesszykluszeiten, Wiederaufschmelzbarkeit, Schweißbarkeit sowie die werkstoffliche Recyclingfähigkeit aus, die zur Nachhaltigkeit von Bauteilen beiträgt.  Zudem besitzen sie eine hohe spezifische (dichtebezogene) Steifigkeit und Festigkeit sowie ein sehr hohes Energieabsorptionsvermögen. Dadurch sind cFRTP für den Einsatz in strukturell tragenden Bauteilen prädestiniert. Aufgrund der früheren technologischen Reife von duromerbasierten Faserkunststoffverbunden und deren Einsatz in der Luftfahrt sind cFRTP noch nicht ihrem Potential entsprechend in Serienanwendungen vertreten.

Standardisierte Prüfmethoden

Auch die standardisierte Charakterisierung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen ist maßgeblich auf duromerbasierte Faserkunststoffverbunde ausgerichtet. Vor diesem Hintergrund entwickelt der AVK Arbeitskreis „endlosfaserverstärkte Thermoplaste“ (Abbildung 1; https://www.avk-tv.de/expertsworkinggroups.php) seit seiner Gründung im Juni 2015 unter Leitung des Leibniz-Instituts für Verbundwerkstoffe (IVW) eine Standardisierungsstrategie für cFRTP (Organobleche und Tapes). Daraus sind bisher unter anderem eine neu entwickelte taillierte Probekörpergeometrie zur Bestimmung der Zugeigenschaften (bereits standardisiert als Typ 4 in ISO 527-4: 2021, Abbildung 2) sowie ein kompletter Prüfplan hervorgegangen, der den zu einer Charakterisierung notwendigen Satz an Werkstoffkennwerten, Prüfbedingungen sowie Prüfmethoden einheitlich definiert. Ferner werden an einem breiten Spektrum verschiedenartiger cFRTP zu neuartigen Prüfmethoden (z.B. im Bereich der Druck- und Biegeversuche) Ringversuche und detaillierte Versuchsanalysen durchgeführt, um deren Einsatz - z.B. in der Kennwertgenerierung oder der Qualitätssicherung - bewerten zu können.

Datenbank

Auf Basis dieses Prüfplans ist die Werkstoffklasse der cFRTP auch in die CAMPUS-Datenbank aufgenommen worden. Dort sind definierte Kennwerte und Kurvendaten verschiedener Hersteller seit Oktober 2019 öffentlich zugänglich und abrufbar. Ein Beispiel für den Vergleich von Datenbankkennwerten zeigt Abbildung 3. Die CAMPUS Datenbank wird seit über 30 Jahren von weltweit führenden Kunststoffproduzenten und deren Kunden genutzt, bot jedoch bisher nur Daten von spritzgießbaren Thermoplasten an. Die Erweiterung um die neue Werkstoffklasse stellt also einen Meilenstein für die Verbreitung und die Digitalisierung von cFRTP dar.

Entwicklung neuer Prüfmethoden

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Chara-TPC“ (gefördert vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und dem Land Rheinland-Pfalz; https://www.ivw.uni-kl.de/de/projekte/chara-tpc) entwickelt das IVW, zusätzlich zu den im Arbeitskreis-Prüfplan etablierten Prüfmethoden, weitere Methoden für komplexe Belastungsfälle, die noch nicht existent sind oder noch keine Standardisierung erfahren haben. Zu diesen Belastungsfällen zählen Kriechversuche, kurzzeit-dynamische Versuche bei hohen Dehnraten, die mehraxiale Prüfung von Rohrprobekörpern (Abbildung 4) sowie die Prüfung von Verbindungsstellen in Hybridmaterialien. Diese Entwicklungen bilden die Basis für weitere Standardisierungsvorhaben, die umfassende cFRTP-Materialkarten für die Finite-Elemente-Simulation ermöglichen.

Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Sebastian Schmeer I Telefon: +49 631 2017-322
E-Mail: sebastian.schmeer@ivw.uni-kl.de

Dipl.-Ing. Florian Mischo I Telefon: +49 631 2017-407
E-Mail: florian.mischo@ivw.uni-kl.de

https://www.unserebroschuere.de/AVK_Composites_Report_06_DT/WebView/