Potentialvergleich für Luftfahrtanwendungen: Materialtests von 3D CFK Gewebe und 2D CFK Gewebe (Masterarbeit)

Abstract

Faserverbundkunststoffe (FVK) verfügen über ausgezeichnete Eigenschaften, durch die sie für den Einsatz im Flugzeugbau, der Raumfahrttechnik und anderen Hightech-Sektoren in der Industrie ideal sind. Ihr Leichtbaupotential wird genutzt, indem konventionelle Metallbauweisen in Luft- und Raumfahrzeugen durch lastpfadoptimierte Verbundkunststoffe ersetzt werden. Kraftstoff- und Kosteneinsparungen können so, neben Verbesserungen der Triebwerkseffizienz, vor allem durch den Einsatz neuartiger Leichtbauwerkstoffe erzielt werden. Allen voran hat sich kohlestofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) in der Luftfahrt etabliert. Mit seinen ausgezeichneten mechanischen Kennwerten in Faserrichtung eignen sich CFK-Bauteile für Bereiche, in denen hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit in einer Hauptbelastungsrichtung verlangt sind. Um bessere mechanische Eigenschaften auch außerhalb einer Vorzugsrichtung zu gewährleisten, wurden zunächst 2D-Gewebe und Multiaxialgelege (NCF) entwickelt, die in der 0°/90°-Richtung beziehungsweise quasiisotrop in der Ebene ihre Verstärkungsfasern ausgerichtet haben. Um auch stabiler gegen Impacts und mehraxiale Belastungen aus der dritten Raumrichtung zu sein, können FVK durch verschiedene Methoden in dieser Richtung verstärkt werden. Eine Möglichkeit stellt das 3D-Weben dar. In dieser Arbeit wird diese Webart als Möglichkeit der 3D-Verstärkung für FVK evaluiert. In experimentellen Versuchen werden die mechanischen in-plane Zug- und Schubeigenschaften von vier verschiedenen 3D gewebten CFK-Konfigurationen mit einem Standard 2D-Gewebe verglichen. Es handelt sich um die Konfigurationen Layer-to-Layer (LtL), Angle Interlock (AI), Orthogonal (ORT) und eine neuartige Faserarchitektur, die eine Angle Interlock Architektur in x- und y-Richtung aufweist (AIXY). Eine 6x6 Materialmatrix mit den mechanischen Eigenschaften der 3D-Gewebe wird in dieser Arbeit erstellt. Ein Vergleich zwischen den Webarchitekturen und die Evaluation von deren Eignung für verschiedene Belastungsszenarien wird durchgeführt. Es werden Spannungsverteilungen und Versagensmechanismen der Schubproben mittels Digital Image Correlation bewertet. Spezielle out-of-plane Tests werden zusätzlich zu den in-plane Experimenten durchgeführt. Zusammenfassend liefert die Arbeit Erkenntnisse über die Vorzüge und Nachteile von 3D gewebten CFK-Bauteilen im Vergleich zu konventionellen 2D-Geweben und bewertet die einzelnen Konfigurationen nach ihren Vor- und Nachteilen.