Zur besseren Nutzung der faserparallelen Druckfestigkeit von CFK-Endlosfasern in UD-Laminaten

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Die faserparallele Druckfestigkeit von CFK ist bei gängigen Fertigungsverfahren der faserparallelen Zugfestigkeit deutlich unterlegen. Folglich kann bei auf Biegung beanspruchten Bauteilen die hervorragende Zugfestigkeit der Faser im Allgemeinen nicht ausgenutzt werden, da auf die schwächere Druckfestigkeit dimensioniert werden muss. Eine Steigerung der faserparallelen Druckfestigkeit ist somit im Hinblick auf Leichtbau und Kostenersparnis von zentraler Bedeutung.Nach derzeitigem Stand der Technik ist die Druckfestigkeit bei den am häufigsten eingesetzten CFK-Fasern (HT- bzw. IM-Fasern) durch ein lokales Stabilitätsversagen der Fasern begrenzt. Der wesentliche Parameter zum Auslösen dieses Stabilitätsversagens ist die anfängliche Faser-Fehlorientierung ø0, die im Hinblick auf eine hohe faserparallele Druckfestigkeit minimiert werden muss. Dies lässt sich mit dünnen pultrudierten CFK-Stäbchen verwirklichen, bei denen die Fasern durch die erforderlichen Abzugskräfte und die Richtwirkung einer Düse im Fertigungsprozess gestreckt werden. Durchgeführte Vorversuche haben bereits gezeigt, dass mit abnehmendem Stabdurchmesser ein deutlicher Anstieg der faserparallelen Druckfestigkeit zu verzeichnen ist. Es ist daher naheliegend, bisher monolithisch gefertigte CFK-UD-Strukturen durch zusammengefasste, pultrudierte CFK-Einzelstäbe zu ersetzen, um insgesamt von einer höheren faserparallelen Druckfestigkeit profitieren zu können.Im Rahmen des Projekts werden diese Substitution und ihre in der Praxis erzielbaren Potenziale vertieft untersucht. Generell gilt es, die Parametereinflüsse von Stäbchengeometrie, Werkstoff und Fertigung auf die erreichbare statische faserparallele Druckfestigkeit zu ermitteln. Darüber hinaus wird die Ausrichtung und die Packungsanordnung der Stäbchen im Bauteil, als auch deren Verklebung, analysiert. Mit den erarbeiteten Erkenntnissen wird ein Biegeträger mit Gurten in Stäbchen-Bauweise erstellt und mit konventionellen Bauweisen theoretisch und experimentell hinsichtlich der erreichbaren statischen Festigkeiten verglichen. Zudem wird auch die Zeitstand- und Ermüdungsfestigkeit stichprobenartig überprüft.Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, eine möglichst breite Erkenntnisbasis im Hinblick auf die faserparallele Druckfestigkeit von CFK in pultrudierten Halbzeugen und deren Einsatz im Bauteil zu schaffen, die unmittelbar in zukünftige Faserverbund-Konstruktionen einfließen kann.