Faser-Metall-Laminate - Ziele, Anreize und Herausforderungen bei der Verwendung als Strukturwerkstoff und in der Verbindungtechnik

Kurzfassung

Schichtverbunde aus Faserverstärkten Verbundkunststoffen und Metall – sogenannte FML – haben bereits in industriellem Einsatz als auch in einer Vielzahl von Forschungsanwendungen ein hohes Potential bewiesen. Grundsätzlich werden FML aber aus ganz unterschiedlichen Beweggründen eingesetzt. Beispielsweise werden aus Aluminium und Glasfaserverstärkten Kunststoffen Schichtverbunde (GLARE) erzeugt um gegenüber Aluminium verbesserte Ermüdungseigenschaften zu erzielen. Eine Werkstoffkombination auf Laminatebene macht aber auch dann Sinn, wenn der Faserkunststoffverbund gegen Abrieb oder Erosion geschützt werden soll. Hochsteife und hochfeste Streben aus Kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFK) können durch den Einsatz dünner Stahlfolien mit einer Materialdicke von weniger als 0,08 mm verstärkt werden um die Restfestigkeit nach einer Schlagschädigung zu verbessern. Dieser Kennwert ist für viele Luftfahrtbauteile besonders kritisch und kann durch diesen Laminataufbau verbessert werden, ohne den gewichtsspezifischen Vorteil von CFK einzubüßen. Darüber hinaus lassen sich Metalllagen auch lokal in einem Laminat einbringen, um die vergleichsweise geringe Lochleibungsfestigkeit von CFK zu verbessern. Ebenso lassen sich lokal Leiterbahnen einsetzen um auf diese Weise eine weitere Funktionalität in das Bauteil zu integrieren. Das Potential der FML besteht demzufolge insbesondere darin, die für eine spezifische Anwendung relevante Schwachstelle des einen Werkstoffes durch das Hinzufügen des zweiten Werkstoffes zu überwinden. Für jede Anwendung wird dabei eine andere spezifische Materialkombination mit individuellen Materialanteilen und Laminataufbauten verwendet. Abhängig von der Werkstoffpaarung, den Anteilen und der Verteilung treten Schwierigkeiten wie Eigenspannungen aufgrund der unterschiedlichen thermo-mechanischen Eigenschaften, Korrosion aufgrund von Potentialunterschieden und Schwierigkeiten bei der Anbindung zwischen den Materiallagen in unterschiedlicher Ausprägung auf. Diesen Schwierigkeiten wurden bislang ganz individuell für die jeweilige Anwendung betrachtet. Nachdem die Faser-Metall-Laminate in vielen Bereichen ihr großes Potential unter Beweis gestellt haben ist es an der Zeit sich diesen Herausforderungen systematisch und anwendungsübergreifend zu nähern. Es bedarf eines tiefergehenden Verständnisses über das Zusammenspiel und die Abhängigkeiten zwischen den Werkstoffpartnern um über die mechanische Ausnutzung der Materialien, Eigenspannungen, Kosten, Korrosionsbeständigkeit, systematisch Aussagen treffen zu können , die wieder bei der anwendungsspezifischen Materialauswahl Anwendung finden können. Der Vortrag möchte diesen Forschungsbedarf aufzeigen indem zunächst Anwendungen aus unterschiedlichen Einsatzfeldern der Faser-Metall-Laminate mit dem jeweiligen Beweggrund und den verknüpften Herausforderungen dargestellt werden. Dabei wird aufgezeigt welcher mechanische Ausnutzungsgrad abhängig von der Art der Materialkombination erreicht werden kann, welche Eigenspannungen damit verbunden sind und welche Korrosionsgefahr jeweils besteht. Außerdem wird der aktuelle Stand der Forschung hinsichtlich Mess-und Modifikationsmethoden zu Eigenspannungen und Korrosion in Faser-Metall-Laminaten dargestellt.