Standardisiertes Testverfahren zur Qualitätskontrolle von hoch belastbaren Sandwichbauteilen

15.10.2019

Sandwichstrukturen für den Leichtbau, wie sie zum Beispiel in der Flugzeugindustrie, in Rotorblättern von Windkraftanlagen oder in Leichtbaufahrzeugen eingesetzt werden, bestehen aus festen Decklagen, die durch einen sehr leichten Kernwerkstoff auf Abstand gehalten werden. Sie sind mechanisch hoch belastbar und gleichzeitig extrem leicht. Wird die feste Verbindung zwischen Deckschicht und Kern jedoch durch eine Fehlbelastung beschädigt, kann das im Extremfall zum Bauteilversagen führen. Durch neue Erkenntnisse über die Mikrostruktur solcher Bauteile mittels In-situ-Röntgentomographie hat das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS ein standardisiertes Testverfahren zur Bestimmung der Bruchzähigkeit entwickelt, um die Belastungsgrenzen solcher Sandwichbauteile zuverlässig vorherzusagen und Schadensfälle zu verhindern.

Wabenkern Testversuch
© Fraunhofer IMWS

Versuchsaufbau eines Single Cantilever Beam Tests (SCB) einer Wabenkern-Sandwichprobe

Mechanisch hoch belastete Strukturbauteile für die Automobilität oder die Luft- und Raumfahrt werden oft in Sandwichbauweise hergestellt. Lasttragende Decklagen werden dabei mit einem leichten Sandwichkern verbunden und von diesem auf Abstand gehalten. Mit sehr dünnen Decklagen aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) und einem sehr leichten und stabilen Kernmaterial mit Wabenstruktur erreicht man höchste mechanische Stabilität bei geringstem Gewicht. Solche Sandwichstrukturen ermöglichen eine erhebliche Gewichtseinsparung. Das senkt den Treibstoffverbrauch und schont damit die Umwelt.

Unter Einwirkung von Schlagbeanspruchungen, Überbelastungen oder auch infolge von Fertigungs- oder Reparaturfehlern können sich die lasttragenden Deckschichten vom stützenden Kern lösen; man spricht in dem Fall von einem Disbond-Schaden. Bleibt der Schaden zum Beispiel aufgrund seiner zunächst geringen Ausdehnung oder nicht direkten Sichtbarkeit unentdeckt, kann er sich im weiteren Einsatz unbemerkt ausbreiten, die Tragfähigkeit der Sandwichstruktur herabsetzen und im Extremfall zum vollständigen Verlust der Bauteilintegrität führen.

Das Fraunhofer IMWS hat in einem Forschungsvorhaben, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und gemeinsam mit dem Institut für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden durchgeführt wurde, eine Standardtestmethode entwickelt, mit der die Bruchzähigkeit zur Quantifizierung des Widerstands von Sandwichmaterialien gegen die Ausbreitung eines Disbond-Schadens – also die lokale Ablösung der Deckschicht vom Kern – analysiert und damit zuverlässig vorhergesagt werden kann. »Bei unserer Untersuchung stand die spezifische Charakteristik von hoch belasteten, ultraleichten Sandwichkonstruktionen mit Wabenkern und sehr dünnen Faserverbundkunststoff-Deckschichten im Fokus«, sagt Dr. Ralf Schäuble, Projektleiter am Fraunhofer IMWS.

In einem sogenannten Single-Cantilever-Beam-Test (SCB) wurden Sandwich-Proben mit einem künstlich eingebrachten Disbond-Schaden verwendet. Für das Testverfahren wird der abgelöste Teil der Deckschicht über ein Lastgestänge kontinuierlich vom Kern abgehoben, so dass eine Ausbreitung des Risses entlang der Verbindungszone von Kern und Deckschicht erzwungen wird. Das Vorgehen ist weitgehend mit dem beim bekannteren Double-Cantilever-Beam-Test (DCB) für Faserverbundlaminate vergleichbar. Eine wesentliche Einschränkung des Prüfverfahren bestand bisher in der Forderung nach Linearität zwischen Kraft und Verschiebungsweg bei der Versuchsdurchführung. Allerdings ist für die im Vorhaben betrachteten Materialien diese Linearität nicht gegeben. Daher wurden für die Lösung des Problems zwei alternative Ansätze untersucht und hinsichtlich ihrer praktischen Durchführbarkeit und ihrer bruchmechanischen Eignung bewertet.

»Eine Möglichkeit bestand in der künstlichen Versteifung der Deckschicht durch das Aufkleben einer elastisch verformbaren Platte mit dem Ziel, die Biegesteifigkeit soweit zu erhöhen, dass die Verformung im Test gering bleibt und wir eine höhere Linearität erreichen«, so Schäuble. Die Auswertung der Versuchsdaten (das Datenreduktionsverfahren) kann in diesem Falle auf Basis der Beziehungen der linearen Balkentheorie (MBT, Modified Beam Theory) erfolgen – in Anlehnung an das bekannte Vorgehen beim standardisierten DCB-Test.

Bei der zweiten Möglichkeit wird die Sandwichprobe in ihrer natürlichen Beschaffenheit getestet und der signifikanten Nichtlinearität durch konstruktive Maßnahmen an der Testapparatur sowie ein alternatives bruchmechanisches Konzept bei der Datenreduktion Rechnung getragen. Beide Varianten wurden werkstoff- und bruchmechanisch analysiert und experimentell validiert. Ein entscheidender Fortschritt beim Verständnis der Vorgänge im Material gelang dabei durch die Anwendung der In-situ-Röntgen-Computertomographie. Durch die hochauflösende und berührungslose Beobachtung der Schädigungsprozesse im Inneren des Sandwichmaterials unter Belastung während der Ausbreitung des Disbond-Schadens konnten wesentliche Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur des Sandwichverbundmaterials und dem Schädigungsverhalten erkannt und anschließend sachgerecht in einfachere analytische Berechnungsformeln übertragen werden – eine wichtige Voraussetzung für die praktische Anwendbarkeit des Testverfahrens.

Auf Basis der Ergebnisse wurde eine Spezifikation für die Durchführung des Prüfverfahrens an leichten Wabenkern-Sandwichmaterialien mit sehr dünnen Deckschichten erarbeitet und in eine internationale Initiative zur Standardisierung des Tests eingebracht.

»Die von uns entwickelte Prüfmethode ist sehr erfolgversprechend«, bewertet Schäuble das entwickelte Verfahren. Die erhobenen Daten und Ergebnisse fließen direkt in einen neuen Standard der internationalen Standardisierungsorganisation ASTM ein und werden in das CMH-17 Composite Materials Handbook aufgenommen – ein von internationalen Zertifizierungsstellen und Flugaufsichtsbehörden anerkanntes mehrbändiges Handbuch zur Auslegung von Composite-Strukturen.