Thermoplastische Faser-Metall-Laminate für hochbeanspruchte und schadenstolerante Leichtbauanwendungen

Kurzfassung

Faser-Metall-Laminate bestehen aus Metallfolien, die wechselweise mit Lagen aus faserverstärktem Kunststoff geschichtet und konsolidiert sind. Durch die faserverstärkten Lagen werden mögliche Ermüdungsrisse im Metall überbrückt. Dies führt zu einem erheblich verzögerten Risswachstum und damit zu höherer Bauteilzuverlässigkeit. Andererseits leisten die Metalllagen einen erheblichen Beitrag zur Lastverteilung und zur Duktilität. Ergebnis ist eine Symbiose zweier Werkstoffklassen, bei der jede ihre spezifischen Vorteile einbringt. Das bekannteste kommerziell erhältliche Faser-Metall-Laminat ist GLARE® (Glass fibre reinforced aluminium). Einem Schichtverbund bestehend aus einer Aluminiumlegierung und glasfaserverstärktem Epoxidharz. Die Dicke der Einzelschichten beträgt jeweils 0,2-0,3 mm. Dieser Werkstoff weist eine extrem hohe Bruchzähigkeit auf und wird im Airbus A380 in der Oberschale des Rumpfes eingesetzt. Durch die Verwendung anderer Werkstoffkombinationen können, neben dem beschriebenen Funktionsprinzip der Faser-Metall-Laminate, weitere Vorteile genutzt werden. Der Einsatz thermoplastischer Matrizes ermöglicht eine effizientere Fertigung, Umformbarkeit des konsolidierten Verbundes und Schweißbarkeit für Reparaturen und Verbindungsstellen. Kohlenstofffasern tragen wiederum zu einer deutlich höheren Steifigkeit des Verbundes bei. Metalllagen aus Titanlegierungen gewährleisten zudem höhere Festigkeiten und eine exzellente Korrosionsbeständigkeit. Daher befindet sich aktuell ein Faser-Metall-Laminat aus dem Werkstoffsystem CF-PEEK/Ti-3Al-2,5V in der Entwicklung. Ziel dieser Arbeiten ist die Bereitstellung eines hochsteifen und hochfesten Schichtverbundes mit hoher Impact- und Schadenstoleranz und der Möglichkeit der thermischen Umformbarkeit zur Bauteilherstellung. Ein Großteil dieser Arbeiten wird innerhalb eines DFG-Verbundprojektes vom DLR in Kooperation mit mehreren Universitäten durchgeführt. Durch die Herstellung in einer kostengünstigen Fertigungskette und das herausragende Eigenschaftsprofil kann eine hohe Marktakzeptanz erreicht werden. Im vorliegenden Beitrag werden der Stand der Technik und aktuelle Entwicklungen dieses noch jungen Werkstoffsystems aufgezeigt.