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Entwicklung einer methodischen Vorgehensweise zur in situ Prüfung von Metall-CFK 3D-Hybridbauteilen bei mechanischer Beanspruchung

 
: Sauer, Jonas Philipp
: Herrmann, Hans-Georg; Jost, Hendrik

:
Fulltext urn:nbn:de:0011-n-6211641 (8.3 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: f111189faacac41f2ee29fcaa3034dd5
Created on: 12.1.2021


Saarbrücken, 2020, 125 pp.
Saarbrücken, Univ., Master Thesis, 2020
German
Master Thesis, Electronic Publication
Fraunhofer IZFP ()
Al-CFK-Hybridbauteil; Thermographie

Abstract
In der vorliegenden Arbeit wurde eine Versuchsmethodik entwickelt, um komplexe dreidimensionale Aluminium-CFK-Hybridbauteile in situ zerstörungsfrei mittel passiver Thermographie und digitaler Bildkorrelation zu untersuchen, während diese einer quasistatischen Zug- und dynamischer Zugschwellbeanspruchung ausgesetzt sind. Zur Optimierung des Versuchsaufbaus wurden dazu zunächst diverse Vorversuche durchgeführt. An Hand der daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden die quasistatischen und dynamischen mechanischen Versuche an den vorhandenen Al-CFK-Proben durchgeführt und ausgewertet. Ein Teil der Vorversuche diente der Entwicklung einer geeigneten Methode zum Auftragen des DIC-Punktmusters auf die Hybridproben. Das beste Ergebnis wurde mit einer weißen Sprühfolie als Grundierung und mit einer Zahnbürste als Werkzeug zum Aufbringen des schwarzen Punktmusters erzielt. Eine weitere Aufgabenstellung im Rahmen der Vorversuche war die Optimierung der Kamerapositionen für die 3D-DIC-Analyse. Die Kameras wurden dazu mit Schwanenhalsklemmen am Schlitten der Thermographiekamera befestigt. Zur Synchronisierung der mit zwei Kameras aufgenommenen Videos, wurde eine Stoppuhr in deren Sichtfeld positioniert. Damit das Punktmuster auf den Proben von den Kameras bestmöglich detektiert werden konnte, wurde als Lichtquelle eine indirekte Beleuchtung mit einer LED-Lampe gewählt. Eine weitere Zielsetzung der Vorversuche war es, den bestmöglichen Kalibrierzylinder für die MultiDIC-Auswertung festzulegen und die Einspannvorrichtung für die Verbundprobe in der Prüfmaschine zu überarbeiten. Dazu wurden verschiedene Experimente mit unterschiedlichen Positionierungsklötzchen der unteren Einspannung durchgeführt. Außerdem wurde die obere Einspannung mit einem zusätzlichen Aluminiumplättchen versehen, damit eine möglichst ideale Orientierung der 3D-Proben in der Prüfmaschine gewährleistet ist. Bei der quasistatischen Versuchsreihe wurden insgesamt 20 Proben vermessen. Durch Auswertung der mechanischen Daten in Bezug auf Kraft und Verschiebung konnten prinzipiell zwei Typen von Kurvenverläufen detektiert werden, die sich hinsichtlich Maximalkraft, Steifigkeit und Maximalverschiebung deutlich unterscheiden. Ein Teil der Proben versagte nach einer Vielzahl von kleineren Schädigungsevents, die sich in Form von mehreren Kraftpeaks im Kraft-Verschiebungs-Diagramm widerspiegeln. Dieser Versagensverlauf wird durch eine große Maximalkraft und verschiebung charakterisiert. Ein großer Satz an 3D-Hybridproben zeigte jedoch ein komplett anderes mechanisches Verhalten. Nach Ausbildung eines singulären breiten Kraftmaximums bei relativ kleiner Verschiebung, versagten die Prüfkörper unmittelbar in nur einem Peak. Die Maximalkraft fällt dabei geringer aus, als bei dem erstgenannten Schädigungsmechanismus. Diese stark unterschiedlichen Schädigungstypen konnten mittels passiver Thermographie in Verbindung mit einer MultiDIC-Analyse gut differenziert werden. Die Existenz der beiden Schädigungstypen konnte unabhängig davon auch durch fraktographische 5 Zusammenfassung Untersuchungen und durch CT-Aufnahmen der Bruchflächen nachgewiesen werden. Die Prüfkörper, die unmittelbar ohne kleinere Zerstörungsevents versagten, zeigen äußerlich kaum sichtbare Schädigungen. Es konnte lediglich ein Herausziehen des Aluminiumeinlegers erkannt werden, was dessen Bruch vermuten lässt. Diese Bruchart konnte durch CT-Aufnahmen bestätigt werden. Die Kameraaufnahmen der Proben, die mit dem zweitgenannten Versagenstypus zerstört wurden, zeigten eine deutliche Schädigung an den „Ärmchen“ der Metalleinlegers. Außerdem konnten große Ablösungen des Thermoplasts vom CFK detektiert werden, was auf ein Versagen in der Grenzfläche CFK-Thermoplast spricht. Durch Analyse der Proben mittels aktiver Thermographie konnten die Erkenntnisse aus der passiven Thermographie gestützt werden. Die hauptsächliche Probenschädigung findet im Bereich des Einlegers statt. Dies in Verbindung mit den gemessenen mechanischen Daten lässt den Schluss zu, dass die in manchen Proben künstlich eingebauten Defekte im CFK, keinen oder nur einen geringen Einfluss auf das mechanische Verhalten der Bauteile hat. Die Versuche mit Zugschwellbeanspruchung wurden mit einer Schwingfrequenz von 5 Hz durchgeführt. Insgesamt wurden in dieser Reihe sieben Proben getestet. Die Ergebnisse der Ermüdungsversuche zeigen deutliche Unterschiede im mechanischen Verhalten der einzelnen Proben. Ein Teil der Prüfkörper versagte schon innerhalb der ersten 105 Zyklen, andere erst nach 8∙105 Zyklen und zwei Proben zeigten nach über 106 Zyklen noch keine fatalen Schädigungen. Durch Auswertung der mechanischen Daten nach der Entwicklung der dynamischen Steifigkeit über die Zyklenzahl wurde deutlich, dass es, insbesondere während der ersten 1000 Zyklen zu einem starken Anstieg der Steifigkeit kommt. Diese Erhöhung lässt eine Verfestigung des Aluminiums vermuten. Untersuchungen mittels passiver Thermographie und digitaler Bildkorrelation lieferten jedoch keine eindeutigen Ergebnisse. Die Analyse der Lock-in Thermographie zeigt vereinzelte Phasenänderungen um den Einleger herum und lieferte Hinweise auf mögliche ringförmige Delaminationen unterhalb des Einlegers. Ein eindeutiger Nachweis für diesen Sachverhalt konnte im Rahmen der Untersuchungen jedoch nicht geführt werden. Mit Hilfe der dreidimensionalen digitalen Bildkorrelation konnte das gesamte Probenvolumen auch während dynamischer Beaufschlagung gut detektiert werden. Die Analyse der Entwicklung der Verschiebung in z-Richtung lässt auf eine geringe Dehnung des gesamten Volumens bei den untersuchten Proben schließen. Außerdem wurde bei dem dynamischen Versuch von Probe F2 eine etwas stärkere Dehnung im Einlegerbereich nach 7,5∙105 Zyklen gefunden. Die mechanischen Ergebnisse der quasistatischen Tests der Dauerläuferproben zeigen eine Vielzahl von lokalen Kraftmaxima bevor es zum endgültigen Versagen gekommen ist. An Hand der Erfahrungen, die bei den vorausgegangenen Zugversuchen gewonnen wurden, konnten auch mittels der DIC-Analyse und der passiven Thermographie auf ein Versagen zwischen Thermoplast und CFK geschlossen werden.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-621164.html