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© 2019 Faserinstitut Bremen e. V.
Die Forschungsberichte aus dem Faserinstitut Bremen
erscheinen in unregelmäßiger Folge.
Herausgegeben vom
FASERINSTITUT BREMEN e. V. — FIBRE —
Am Biologischen Garten 2
D-28359 Bremen
Der vorliegende Band erscheint als Nr. 62 dieser Reihe im Dezember 2019.
Autorin: Sabrina Jenkel
Titel: Entwicklung von Faser-Metall-Laminaten aus Hybridtextilien (FibMet)
Herstellung und Verlag: BoD – Books on Demand GmbH, Norderstedt
ISBN dieses Bandes: 978-3-7504-4798-1
ISSN der Reihe: 1618–7016
Schlussbericht
zu IGF-Vorhaben Nr. 19300 N / 1
Thema
Entwicklung von Faser-Metall-Laminaten aus Hybridtextilien (FibMet)
Berichtszeitraum
01.02.2017 - 31.07.2019
Forschungsvereinigung
Forschungskuratorium Textil e. V.
Forschungseinrichtung(en)
Faserinstitut Bremen e. V.
| Bremen, 18.11.2019 | Sabrina Jenkel, M.Sc. |
| Ort, Datum | Name und Unterschrift aller Projektleiterinnen und Projektleiter der Forschungseinrichtung(en) |
Entwicklung von Faser-Metall-Laminaten aus Hybridtextilien (FibMet)
Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Entwicklung eines wirtschaftlichen Fertigungsverfahrens für Faser-Metall-Laminate (FML) aus vernähten Halbzeugen im Vakuuminfusionsverfahren sowie der Untersuchung der Laminateigenschaften. Dadurch sollte eine Möglichkeit geschaffen werden, diese Leichtbauwerkstoffe in breiteren Anwendungsfeldern außerhalb des Flugzeugbaus einzusetzen.
Mithilfe von industriellen Stickmaschinen wurde daher zunächst die Möglichkeit untersucht, Metallfolien und Glasfasergelege zu einem einfach zu handhabenden Halbzeug zu vernähen. Die Verarbeitbarkeit im textilen Prozess ist dabei abhängig von der gewählten Metalllegierung. Folien aus unlegiertem Stahl (DC04) mit einer Dicke von 0,1 mm konnten direkt mit der Nähnadel durchstochen und mit dem textilen Halbzeug vernäht werden. Folien aus der auch in kommerziell erhältlichen FML eingesetzten Aluminiumlegierung (EN AW-2024) mit einer Dicke von 0,4 mm konnten hingegen nicht auf diesem Wege verarbeitet werden und wurden daher vor der Verarbeitung perforiert und anschließend auf der Stickmaschine positioniert.
Nach dem Vernähen wurden die hergestellten Hybrid-Halbzeuge im Vakuuminfusionsverfahren mit der Epoxidharzmatrix durchtränkt und ausgehärtet. Die im Rahmen des textilen Prozesses in die Metallfolien eingebrachten Perforationen ermöglichen dabei die Durchtränkung des Laminats.
Durch das Vernähen wird die Anbindung der einzelnen Lagen aneinander verstärkt und die Out-of-Plane-Eigenschaften der hergestellten Laminate größtenteils erhöht. Die In-Plane-Eigenschaften werden aufgrund der in das Metall eingebrachten Schädigungen und der erzeugten Faserverschiebungen mit steigender Stichdichte und Perforationsgröße jedoch verringert.
Der Nachweis zur Herstellung von FML im beschriebenen Verfahren wurde erbracht. Der Einfluss der Nähparameter im textilen Halbzeug-Herstellungsprozess auf den Infusionsprozess sowie der resultierenden Laminateigenschaften wurde untersucht.
Die Entwicklung des textilen Prozessschrittes und die Fertigung der Halbzeuge waren aufwändiger als zunächst angenommen, sodass der Aufwand zur Herstellung der Demonstratoren reduziert werden musste. Eine großflächige Plattenstruktur, die als Demonstrator in eine Kastenstruktur integriert werden sollte, konnte daher innerhalb der Projektlaufzeit nicht realisiert werden. Einzelne kleinere Demonstratorstrukturen zur Darstellung eines mehrfach gekrümmten Profils eines Automobil-Seitenaufprallträgers wurden hergestellt.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben 19300 N / 1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür möchten wir an dieser Stelle herzlich danken.
Ein besonderer Dank gilt den Partnern aus den im PbA vertretenen Industrieunternehmen, die sich während der gesamten Projektlaufzeit und darüber hinaus mit fruchtbaren Diskussionen, Bereitstellung von Anlagen und materieller Unterstützung eingebracht haben.
Einige Untersuchungen wurden an einem Computertomographie-Gerät GE Phoenix v|tome|x m research eddition an der Universität Bremen durchgeführt. Daher soll an dieser Stelle für die finanzielle Unterstützung der Europäischen und Bremer Wirtschaftsförderung im Rahmen von „WERTFASER“ (QS 1005) gedankt werden.
Ferner möchte ich mich ganz herzlich bei den vielen Kolleginnen und Kollegen bedanken, die durch ihre Mitarbeit im Labor oder Technikum die Durchführung der umfangreichen Versuchsreihen erst ermöglicht haben oder im Rahmen vieler Diskussionsrunden wertvolle Anregungen geliefert haben.
Der Schlussbericht kann beim Faserinstitut Bremen e. V. (FIBRE) ausgeliehen werden.
Abbildung 1-1: Schematischer Aufbau eines Faser-Metall-Laminats nach [9]
Abbildung 1-2: Überbrückung eines Risses im Metall durch Fasern nach [12]
Abbildung 2-1: Entwickelte Prozesskette zur Herstellung von FML aus Hybridtextilien
Abbildung 2-2: Nahtbildung des Doppelsteppstichs [29, 30]
Abbildung 2-3: Prinzipieller Verfahrensaufbau VARI [36]
Abbildung 2-4: Harzfluss durch ein FML-Halbzeug im VARTM-Verfahren nach [4]
Abbildung 2-5: Porenentstehung bei unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten nach [41]
Abbildung 2-6: Porenanteil durch zusammenlaufende Fließfronten nach [14]
Abbildung 3-1: Vergleich des Querschnitts eines konventionellen Pkw-Seitenaufprallträgers von der Firma Honda mit einem Doppelhutprofil (links) und der im Rahmen des RFP-Projektes davon abgeleiteten Hutgeometrie für CFK-Seitenaufprallträger [17]
Abbildung 3-2: Darstellung der vollständigen Geometrie eines konventionellen Pkw-Seitenaufprallträgers aus Stahl von der Firma Honda (links) und des im Rahmen des RFP-Projektes daraus abgeleiteten Seitenaufprallträgers aus CFK (rechts) [17]
Abbildung 3-3: Lagenaufbauten der untersuchten FML
Abbildung 3-4: Verschiedene Varianten der im Wasserstrahlschneidverfahren perforierten Folien aus der Aluminiumlegierung EN AW-2024 - Perforationsabstand (von oben links nach unten rechts): 7,5 mm, 12,5 mm und 17,5 mm
Abbildung 3-5: Zusammennähen eines Faser-Metall-Halbzeugs mit außenliegenden Glasfasergelegen (Lagenaufbau 2)
Abbildung 3-6: Nahtbild eines vernähten hybriden Lagenaufbaus, der mit einem Stichabstand von 12,5 mm und einem Nadeldurchmesser von 0,9 mm vernäht wurde (A125090), rechts: Oberseite, links: Unterseite
Abbildung 3-7: Nahtbild eines vernähten hybriden Lagenaufbaus, der mit einem Stichabstand von 5,0 mm und einem Nadeldurchmesser von 1,1 mm vernäht wurde (A050110), rechts: Oberseite, links: Unterseite
Abbildung 3-8: Faserverschiebung auf der Unterseite der Preform mit Lagenaufbau 2, die mit einem Stichabstand von 12,5 mm und einem Nadeldurchmesser von 0,9 mm vernäht wurde (B125090)
Abbildung 3-9: Links: Nähfuß mit Stoffdrücker zur Stabilisierung eines Faser-Metall-Halbzeugs. Rechts: Winkel als zusätzliches Gewicht, um die Preform beim Vernähen zusammenzudrücken
Abbildung 3-10: Schlaufenbildung des Oberfadens auf der Unterseite des Laminats (links) und um Spulenkapsel (rechts)
Abbildung 3-11: Perforation ohne Stoffdrücker
Abbildung 3-12: Abgebrochene Nadel im Nähgut
Abbildung 3-13: Nadel aus Nadelstange herausgezogen
Abbildung 3-14: Perforation einer Folie aus Al EN AW-2024, Dicke 0,4 mm, mit Stoffdrücker
Abbildung 3-15: Vorrichtung zur Aufnahme der Halbzeuge im TFP-Stickrahmen
Abbildung 3-16: Lagenaufbau aus vernähten Einzellagen
Abbildung 3-17: Perforations- und Positionierungsversuch auf Papier, deutliche Kratzer
Abbildung 3-18: Perforations- und Positionierungsversuch auf Papier, gutes Nahtbild
Abbildung 3-19: Stichbild bei Richtungswechsel, Stichabstand 7,5 mm
Abbildung 3-20: Stichbild bei Richtungswechsel, Stichabstand 17,5 mm
Abbildung 3-21: Nahtpunkte im Textil, Naht quer zur Faserrichtung, Stichabstand: 12,5 mm
Abbildung 3-22: Abbildung 3 21: Nahtpunkte im Textil, Naht längs zur Faserrichtung, Stichabstand: 12,5 mm
Abbildung 3-23: Drapiereffekte an einer Probe, die mit einem Stichabstand von 7,5 mm vernäht und mit der textilen Seite nach oben und dem Faserverlauf parallel zur Profillängsrichtung umgeformt wurde
Abbildung 3-24: Drapiereffekte an einer Probe, die mit einem Stichabstand von 12,5 mm vernäht und mit der textilen Seite nach oben und dem Faserverlauf quer zur Profillängsrichtung umgeformt wurde
Abbildung 3-25: Drapiereffekte an einer Probe, die mit einem Stichabstand von 17,5 mm vernäht und mit der textilen Seite nach unten und dem Faserverlauf parallel zur Profillängsrichtung umgeformt wurde, wobei die Naht quer zu den Fasern und der Profillängsrichtung ausgerichtet ist
Abbildung 3-26: Anordnung der Hilfsstoffe und der Preform für die Vakuuminfusion
Abbildung 3-27: Aufbau der Vakuuminfusion und Versuchsaufbau zur Untersuchung des Infusionsverhaltens. (*Vakuumpumpe nicht sichtbar)
Abbildung 3-28: Vergleich der Infusionszeiten
Abbildung 3-29: Zur vollständigen Füllung der Zulaufleitung mit Infusionsharz benötigte Zeit
Abbildung 3-30: Fließverhalten auf der Unterseite des Laminats B200070: Durch die Perforationen gelangt Harz vor die Hauptfließfront, wodurch die einzelnen Fließfronten aufeinandertreffen. Zudem tritt durch einzelne Perforationen kein Harz
Abbildung 3-31: Infusion eines Doppelhutprofilabschnitts aus FML
Abbildung 3-32: Doppelhutprofil aus GFK
Abbildung 3-33: Doppelhutprofil aus FML mit Lagenaufbau 1
Abbildung 3-34: Schnittkante eines Laminats, gesägt
Abbildung 3-35: Schnittkante eines Laminats, wasserstrahlgeschnitten
Abbildung 3-36: Makroskoraufnahme eines Nahtpunktes in einem direkt vernähten Laminat aus GFK und Stahlfolie mit Lagenaufbau 1
Abbildung 3-37: Makroskoraufnahme eines Nahtpunktes in einem direkt vernähten Laminat aus GFK und Stahlfolie mit Lagenaufbau 2
Abbildung 3-38: Makroskoraufnahme von Nahtpunkten in einem Laminat aus GFK und Folie aus Aluminiumlegierung mit Lagenaufbau 1
Abbildung 3-39: Makroskoraufnahme von Nahtpunkten in einem Laminat aus GFK und Folie aus Aluminiumlegierung mit Lagenaufbau 2
Abbildung 3-40: Schliffbild einer Nahtstelle des Laminats A050070
Abbildung 3-41: Schliffbild einer Nahtstelle des Laminats B050110
Abbildung 3-42: Schliffbild des Laminats A125090
Abbildung 3-43: Schliffbild eines FML mit Lagenaufbau 2 aus GFK und Metallfolien aus der Aluminiumlegierung EN AW-2024
Abbildung 3-44: Vergleich der Porenanteile der Laminate in Zulaufnähe, der Mitte und Ablaufnähe
Abbildung 3-45: Gemittelter Porenanteil der Laminate
Abbildung 3-46:Effektdiagramm für den Porenanteil
Abbildung 3-47: Wechselwirkungsdiagramm für die Wechselwirkung zwischen Stichabstand und Nadeldurchmesser auf den Porenanteil
Abbildung 3-48: Vergleich des FVG (Veraschung) über der Laminate in Zulaufnähe, der Mitte und Ablaufnähe
Abbildung 3-49: Effektdiagramm für den Faservolumengehalt (Veraschung)
Abbildung 3-50: Wechselwirkungsdiagramm der Wechselwirkung zwischen Stichabstand und Nadeldurchmesser auf den Faservolumengehalt
Abbildung 3-51: Versagensorte Zugprüfkörper. Versagen einer Zugprobe des Laminats B020110 (oben) und Versagen einer Zugprobe des Laminats A050070 (unten)
Abbildung 3-52: Zugmoduln (Mittelwerte) der Laminate
Abbildung 3-53: Effektdiagramme für den Zugmodul
Abbildung 3-54: Wechselwirkungsdiagramm für die Wechselwirkung zwischen Stichabstand und Nadeldurchmesser auf den Zugmodul, ermittelt anhand der Messwerte für FML aus direkt vernähten Halbzeugen aus Glasfasergelegen und Stahlfolie
Abbildung 3-55: Zugfestigkeiten (Mittelwerte) der Laminate
Abbildung 3-56: Effektdiagramme für die Zugfestigkeit
Abbildung 3-57: Wechselwirkungsdiagramm der Wechselwirkung zwischen Stichabstand und Nadeldurchmesser, ermittelt anhand der Messwerte für FML aus direkt vernähten Halbzeugen aus Glasfasergelegen und Stahlfolie
Abbildung 3-58: Delamination der oberen Metallschicht im Drei-Punkt-Biegeversuch bei Prüfkörpern mit Lagenaufbau 1 und 20 mm Stichabstand
Abbildung 3-59: Biegeprobe des Laminats A050070 während des Biegeversuchs
Abbildung 3-60: Delamination der oberen Metallschicht im Drei-Punkt-Biegeversuch bei Prüfkörpern mit Lagenaufbau 1 und 12,5 mm Stichabstand aus direkt vernähten Halbzeugen aus GFK und Stahl
Abbildung 3-61: Drei-Punkt-Biegeversuch bei Prüfkörpern mit Lagenaufbau 1 und 12,5 mm Stichabstand aus nach Vorperforation vernähten Halbzeugen aus GFK und Aluminiumlegierung
Abbildung 3-62: Riss in einer Biegeprobe des Laminats A050110 (Harzschicht wurde nach dem Versuch entfernt, um Riss in Stahlfolie sichtbar zu machen)
Abbildung 3-63: Durchbiegung eines Biegeprüfkörpers des Laminats B200070
Abbildung 3-64: Biegeprobe des Laminats B200070 nach dem Versuch. Delamination einzelner Schichten und Versagen der Nahtstellen
Abbildung 3-65: Biegemodul der Laminate (Mittelwerte)
Abbildung 3-66: Effektdiagramm für den Biegemodul
Abbildung 3-67: Wechselwirkungsdiagramm für die Wechselwirkung zwischen Stichabstand und Nadeldurchmesser auf den Biegemodul, ermittelt anhand der Messwerte für FML aus direkt vernähten Halbzeugen aus Glasfasergelegen und Stahlfolie
Abbildung 3-68: Biegefestigkeit der Laminate (Mittelwerte)
Abbildung 3-69: Effektdiagramm für die Biegefestigkeit
Abbildung 3-70: Wechselwirkungsdiagramm für die Wechselwirkung zwischen Stichabstand und Nadeldurchmesser auf die Biegefestigkeit
Abbildung 3-71: Versagensarten im Charpy-Schlagbiegeversuch, dargestellt anhand von Prüfkörpern aus GFK und Stahl sowie reinen GFK-Prüfkörpern: Vielfachscheren (a), Scheren gefolgt von Zugversagen (b), vollständiger Bruch (c) und Scharnierbruch (d)
Abbildung 3-72: Charpy-Schlagzähigkeit der Laminate (Mittelwerte)
Abbildung 3-73: Effektdiagramm für die Schlagzähigkeit nach Charpy
Abbildung 3-74: Wechselwirkungsdiagramm der Wechselwirkung zwischen Stichabstand und Nadeldurchmesser auf die Charpy-Schlagzähigkeit
Abbildung 3-75: Prüfung der interlaminaren Energiefreisetzungsrate an einem FML aus vernähten Hybrid-Halbzeugen
Abbildung 3-76: Prüfung der interlaminaren Energiefreisetzungsrate an einem nicht vernähten GFK-Laminat ohne Vernähung
Abbildung 3-77: Interlaminare Energiefreisetzungsrate der Laminate (Mittelwerte)
Abbildung 3-78: Laminatabschnitt im Wasserbad mit Prüfkopf
Abbildung 3-79: C-Scan Oberfläche
Abbildung 3-80: C-Scan in 1 mm bis 2 mm Tiefe
Abbildung 3-81: Perforation einer Stahlfolie, einzelnen Reihe, Nadeldurchmesse 0,7 mm, Stichabstand 20,0 mm, links: Oberseite, rechts: Unterseite
Abbildung 3-82: Perforation einer Stahlfolie, einzelnen Reihe, Nadeldurchmesse 1,1 mm, Stichabstand 5,0 mm, links: Oberseite, rechts: Unterseite
Abbildung 3-83: Perforation einer Stahlfolie, mehrerer Reihen, Nadeldurchmesse 1,1 mm, Stichabstand 5,0 mm, links: Oberseite, rechts: Unterseite
Abbildung 3-84: Perforation einer Folie aus Al EN AW-2024, Nadeldurchmesser 1,1 mm, Stichabstand 5,0 mm
Abbildung 3-85: Demonstratorstruktur – Doppelhutprofil in FML-Bauweise (GFK + Al EN AW-2024) aus vernähten Halbzeugen (Stichabstand 12,5 mm)
Abbildung 3-86: Unterseite einer Demonstratorstruktur mit Lagenaufbau 1
Tabelle 3-1: Eigenschaften von E-Glasfasern [48]
Tabelle 3-2: Eigenschaften der Matrix EPIKOTE MGS RIMR 035c + EPIKURE Curing Agent RIMH 037 [49]
Tabelle 3-3: Eigenschaften der Stahlfolie DC04 (Werkstoff 1.0338) [52]
Tabelle 3-4: Eigenschaften der Folie Al EN AW-2024 (Werkstoff 3.1355, AlCu4Mg1) [54]
Tabelle 3-5: Varianten der Nähgarnauswahl (Produkte der Firma Amann & Söhne GmbH & Co. KG)
Tabelle 3-6: Kombinationen von Perforationsabstand und -größe
Tabelle 3-7: Versuchsplan zur Herstellung von FML-Prüfkörpern aus Glasfasergelegen und Metallfolien aus Stahl
Tabelle 3-8: Verwendete Nadeln der Firma Groz Beckert KG
Tabelle 3-9: Versuchsplan zur Herstellung von FML-Prüfkörpern aus Glasfasergelegen und vorperforierter Metallfolie der Legierung Al EN AW-2024
Tabelle 3-10: Verwendete Hilfsstoffe zur Infusion der direkt vernähten Hybridhalbzeuge
Tabelle 3-11: Zeitlicher Verlauf der Infusion einer GFK-Platte ohne Metallfolie, *: Zeit gemessen ab dem Zeitpunkt des Eintreffens des Harzes am Zulaufkanal
Tabelle 3-12: Zeitlicher Verlauf der Infusion eines FML-Halbzeugs A050110 (Lagenaufbau 1, Stichabstand: 5,0 mm, Nadeldurchmesser: 1,1 mm), *: Zeit gemessen ab dem Zeitpunkt des Eintreffens des Harzes am Zulaufkanal
Tabelle 3-13: Zeitlicher Verlauf der Infusion eines FML-Halbzeugs B200070 (Lagenaufbau 2, Stichabstand: 20,0 mm, Nadeldurchmesser: 0,7 mm), *: Zeit gemessen ab dem Zeitpunkt des Eintreffens des Harzes am Zulaufkanal
Tabelle 3-14: Verwendete Hilfsstoffe zur Infusion der teilweise vernähten Hybridhalbzeuge aus Glasfasergelegen und vorperforierten Metallfolien
Tabelle 3-15: Zeitlicher Verlauf der Infusion eines unvernähten FML-Halbzeugs A125000 (Lagenaufbau 1, Stichabstand: 12,5 mm, nicht vernäht), *: Zeit gemessen ab dem Zeitpunkt des Öffnens des Zulaufkanals
Tabelle 3-16: Kostenschätzung für die Herstellung der hybriden Halbzeuge im textilen Prozess pro m2
Tabelle 3-17: Material Preis und Gewicht
Tabelle 3-18: Kosten und Gewicht der Einzelkomponenten in einem FML-Bauteil der Referenzstruktur
In vielen Industriezweigen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobil- und Schienenfahrzeugherstellung, nimmt die Bedeutung des Leichtbaupotentials der eingesetzten Strukturen und Materialien stetig zu. Aufgrund von gestiegenen Erwartungen von Nutzern und Gesetzgebern an Ausstattung und Sicherheit ist das Gewicht beispielsweise von Fahrzeugen in der Vergangenheit gestiegen. Gleichzeitig werden durch angepasste gesetzliche Rahmenbedingungen und gesellschaftliche Erwartungen die Einsparung von Rohstoffen sowie die Reduzierung des Energieverbrauchs gefordert. Eine Strategie zur Gewichtsreduzierung ist die Substitution von Werkstoffen in Strukturen durch andere Werkstoffe mit geringerer Dichte, der sogenannte Stoffleichtbau. [1] Dabei gewinnen auch hybride Strukturen und Werkstoffe zunehmend an Bedeutung. In diesen werden Werkstoffe unterschiedlicher Werkstoffklassen kombiniert eingesetzt um die Eigenschaften der jeweiligen Einzelwerkstoffe bestmöglich nutzen und bedarfsgerecht einsetzen zu können. [2]
Einen solchen hybriden Werkstoff stellen beispielsweise Faser-Metall-Laminate (FML) dar. Diese bestehen aus einem schichtweisen Aufbau aus faserverstärktem Kunststoff und Metallfolien und zeichnen sich dadurch aus, dass die Vorteile beider Materialien kombiniert werden während die Nachteile nahezu ausgeglichen werden [3]. Bisher sind die Einsatzgebiete für FML aufgrund der verwendeten aufwändigen Herstellungsverfahren eingeschränkt [4].
Im Rahmen des Forschungsprojekts „Entwicklung von Faser-Metall-Laminaten aus Hybridtextilien (FibMet)“ wurde eine Möglichkeit zur wirtschaftlichen Fertigung von Faser-Metall-Laminaten untersucht.
In den folgenden Abschnitten wird der Stand der Technik bei Projektbeginn sowie die sich daraus ergebende Motivation für das Forschungsvorhaben dargestellt.
Faser-Metall-Laminate (FML) sind Hybridwerkstoffe, die aus einem Schichtaufbau dünner Metallfolien und faserverstärkter Kunststofflagen bestehen [5]. Der schematische Aufbau eines FML ist in Abbildung 1-1 zu sehen. Die Besonderheit der FML liegt darin, dass die Vorteile metallischer Werkstoffe und faserverstärkter Kunststoffe kombiniert werden und dadurch die Nachteile der einzelnen Werkstoffklassen ganz oder teilweise aufgehoben werden können. Metalle weisen zum Beispiel einen hohen Widerstand gegen Impactbelastung auf, sind isotrop und leicht zu reparieren [5]. Allerdings sind sie korrosionsanfällig und haben eine geringe Dauerschwingfestigkeit [5]. Faserverstärkte Kunststoffe hingegen haben eine hohe spezifische Festigkeit und eine hohe Ermüdungsresistenz, jedoch eine niedrige Schadenstoleranz [5]. Werden beide Werkstoffe zu einem Faser-Metall-Laminat kombiniert, werden die Nachteile des einen Werkstoffs durch die Vorteile des anderen ausgeglichen [5]. Dadurch weisen FML beispielsweise eine hohe spezifische Festigkeit, eine hohe Schwingfestigkeit und eine hohe Schadenstoleranz auf [6]. Während Schäden an Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff schwer bis gar nicht zu erkennen sind, können Schäden an FML durch die Metallfolien besser festgestellt werden [3]. Zudem haben beschädigte FML-Strukturen eine höhere Restfestigkeit und lassen sich leichter reparieren als faserverstärkte Kunststoffe [3, 7]. Durch die Verwendung von Polymeren sind sie dazu korrosionsbeständiger als Metalle [5]. Sind die Außenlagen des Laminats Metallschichten, ist die Feuchtigkeitsaufnahme der FML deutlich geringer als bei reinen faserverstärkte Kunststoffe [8]. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass FML im Schadensfall ein hohes Energieabsorptionsvermögen haben [8].
Abbildung 1-1: Schematischer Aufbau eines Faser-Metall-Laminats nach [9]
Die genauen Eigenschaften eines Faser-Metall-Laminats können durch die Auswahl der Materialien und des Laminataufbaus eingestellt werden. Aufgrund der Anpassungsfähigkeit an eine spezielle Anwendung und ihrer hohen spezifischen Festigkeiten zählen FML zu den Leichtbauwerkstoffen [8].
Ihren Ursprung haben FML in der Materialentwicklung für Flugzeugstrukturen. Einer der wichtigsten Aspekte im Design von Flugzeugstrukturen ist das Verhindern und das Entdecken von Ermüdungsrissen [10]. In den 1950er Jahren wurde festgestellt, dass zu einem Laminat verklebte Aluminiumfolien ein besseres Ermüdungsverhalten aufweisen, als ein monolithisches Blech. Entsteht ein Riss in einem der Bleche, dienen die Klebstoffschichten als Trennschicht zwischen den Metalllagen. Die unbeschädigten Bleche des Laminates verzögern die Rissausbreitung in der beschädigten Metallschicht [10]. Aufgrund dieser Erkenntnis wurde 1978 durch das Hinzufügen von Aramidfasern in die Klebstoffschichten mit ARALL® (Aramid Reinforced Aluminium Laminate) an der TU Delft das erste Faser-Metall-Laminat entwickelt [11]. Die Fasern sind so ausgelegt, dass sie nicht versagen, wenn sich Risse im Metall bilden. Sie übernehmen die Last und reduzieren die Spannungsintensität an der Rissspitze, wodurch die Rissausbreitung signifikant verzögert wird [10]. Abbildung 1-2 zeigt den Rissüberbrückungseffekt.
Abbildung 1-2: Überbrückung eines Risses im Metall durch Fasern nach [12]
Verglichen zum monolithischen Aluminiumblech wurde die Rissausbreitungs-Geschwindigkeit um den Faktor 100 reduziert. Zudem konnte das Gewicht um bis zu 30 % in ermüdungsanfälligen Flugzeugkomponenten verringert werden [10]. ARALL® wurde deshalb unter anderem in der Luftfahrt in den Tragflächen der Fokker F-27 und in der Frachttür der Boeing C-17 eingesetzt [5]. Allerdings wurden in weiteren Untersuchungen einige Schwächen von ARALL® festgestellt. Die Haftung zwischen den Aramidfasern und der Matrix ist relativ gering. Dadurch ist es lediglich möglich unidirektionale Laminate mit einem Faservolumengehalt (FVG) bis 50 % herzustellen. Laminate mit einem höheren FVG würden eine geringe Abschäl- und interlaminare Scherfestigkeit aufweisen [10]. Außerdem tritt unter bestimmten zyklischen Belastungen Faserversagen auf. Auch wenn die Dauerschwingfestigkeit noch höher ist als die von Aluminium, beeinträchtigt dieses Verhalten die Rissüberbrückung [10].
Bei weiteren Forschungen wurden die Aramidfasern durch Kohlenstofffasern ersetzt. Der resultierende Werkstoff hat zwar eine höhere Steifigkeit als ARALL®, jedoch zeigte sich auch hier eine geringe Schwingfestigkeit. Die geringe Bruchdehnung führt zudem zu einer erhöhten Kerbempfindlichkeit. Darüber hinaus stellt die galvanische Korrosion zwischen Aluminium und Kohlenstofffasern ein Problem dar [10]. Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung von FML wurde um 1990 durch den Einsatz von hochfesten Glasfasern anstelle von Aramidfasern erfolgreich umgesetzt. Dieser Werkstoff ist unter dem Namen Glass Laminate Aluminium Reinforced Epoxy (GLARE®) bekannt. Die Haftung zwischen den Glasfasern und der Matrix ist deutlich besser als die zwischen Aramidfasern und der Matrix. Dadurch ist es möglich, biaxiale Laminate zu erzeugen, wodurch sich ein breiteres Anwendungsgebiet eröffnet. Zudem ertragen Glasfasern Druckbelastungen besser, was zu einer sehr hohen Schwingfestigkeit beiträgt. Die höhere Zug- und Druckfestigkeit, das bessere Impactverhalten, die höhere Bruchdehnung und höhere Restfestigkeit sind weitere Vorteile gegenüber ARALL® [10]. Mit GLARE® ist es möglich, leichte und ermüdungsresistente Flugzeugrumpfstrukturen herzustellen. Die Nachteile sind allerdings hohe Material- und Herstellungskosten, sowie im Vergleich zu monolithischen Aluminiumlegierungen und ARALL® eine geringere Steifigkeit [10]. Anwendung findet GLARE® in der Rumpfstruktur und in den Vorderkanten der Leitwerke des Airbus A380 [13]. Ein weiterer Vorteil von GLARE® ist die hohe Feuerresistenz. Tests haben gezeigt, dass sich im Brandfall die Glasfaserschichten vom Metall lösen, wodurch die Feuerausbreitung verzögert wird [10].
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