5 Werkstofftechnik
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Lightweighting as a cross-cutting technology contributes significantly to achieve the European Green Deal goals. Based on, but not limited to, advanced materials and production technologies, the demand for natural resources and CO2 emmissions are reduced by lightweighting during production, as well as use phase. Therefore, lightweighting is a crucial transformation technology assisting in decoupling economic growth from resource consumption. In this manner, lightweighting contributes significantly as a key technology of relevance for many industrial sectors such as energy, mobility, and infrastructure, towards resource efficiency, climate action and economic strength, as well as a resilient Europe. To strengthen international partnerships, addressing global issues of today at the edge of science with high performance lightweight material based on carbon fibers, an overview about the BAM expertise in carbon fiber reinforced materials is given.
Im statistischen Mittel steht eine Windkraftanlage (WKA) in Deutschland alle 6 Jahre wegen eines Schadens an den Rotorblättern und verursacht Kosten von 20k€-40k€ infolge Ertragsausfall und Reparaturkosten. Bei über 30.000 WKA in Deutschland verursacht dies jährlichen Kosten von 100-200 Mio. €. Zu 70% sind die Ursachen Fertigungsfehler. Diesem Themenkomplex widmet sich FB-5.3 in Kooperation mit FBs der Zerstörungsfreien Prüfung (Abt. 8) schon seit Jahren.
Im aktuellen Projekt geht es um einen vorzeitigen Verschleiß der Rotorblätter infolge der Verwendung gealterter Glasfaser-Rovings. (GF). Die Entwicklung moderner Windkraftanlagen hatte in Europa seinen Ursprung in den 90er Jahren. OEMs und GF-Hersteller waren dicht beisammen. Die Globalisierung des Marktes führt heute zu einer weltweiten Verschiffung der GF in feucht-warmen Containern. Je nach Beschaffenheit (Chemie) der Schlichten (Oberflächenbehandlung) von GF können diese stark altern (Hydrolyse-Effekte) und die Festigkeit kann im Bauteil um bis zu 50% abgemindert sein.
In einer Kooperation mit der Rotorblattallianz, einem Zusammenschluss der OEMs, Halbzeugherstellern und Forschungsinstituten, wurden schon vor 5 Jahren in einem Forschungsprojekt (FB-5.3; VH 5538) die chemischen Mechanismen der Alterung exemplarisch für eine Glasfaser-Roving-Type aufgeklärt. Im aktuellen Projekt (FB-5.3; VH 5304) wird ein beschleunigtes Alterungsverfahren (erhöhte Temperatur und Feuchte) am Roving im un-impregnierten Zustand entwickelt und die Festigkeit nachfolgend nach Einbettung in eine Epoxid-Harz-Matrix bestimmt. Je nach Alterungszustand zeigt sich eine Abnahme der Zwischenfaserbruchfestigkeit von bis zu 50%. Nicht alle Glasfaser-Roving-Typen zeigen diesen Effekt. Es ist gelungen für OEMs und Halbzeughersteller ein handhabbares Verfahren zur innerbetrieblichen Qualitätssicherung zu entwickeln, da die wenigsten Firmen über komplexe Analyseverfahren, wie an der BAM, verfügen.
Wind turbine rotor blades are produced as aerodynamic, three-dimensionally formed sandwich shell structures using mainly glass fiber reinforced plastics (GFRP). The GFRP used today have the potential to withstand the harsh operating conditions of rotor blades over the projected service life of 20 years. Premature damages that occur can be traced primarily back to design and/or manufacturing imperfections, as well as unusually high load scenarios (for instance lightning strikes, or strong winds combined with system control errors). Therefore, rotor blades have to be repaired several times (on average 2-3 times) during their projected service life. Approximately 70% of these are repairs of small- to medium-sized sandwich shells, carried out by technicians directly accessing the blade by suspended roping at the wind turbine location. The goal is to execute repairs that will last over the remaining service life, i.e. be sustainable.
Within the framework of a research project carried out at BAM, Division 5.3 Polymer Matrix Composites, Department 5 for Materials Engineering, not only was the geometric shape (round vs. square in relation to the top view) varied, but also the layup of the scarf repair structure, variables that have not been studied systematically to-date. Sub-component scale sandwich shell specimens with representative repairs were used in this work in addition to coupon-scale specimens that are more commonly seen in literature. These sub-component shell specimens were tested using a unique shell test bench under loading conditions representative of wind turbine blade shell operating conditions with respect to fatigue strength. Using non-destructive testing methods (field strain measurement and thermography), damage development and distribution was monitored and analyzed in-situ. As a result, a concept was developed in which the repaired areas showed at least equivalent if not higher fatigue strength than the reference shells that were not repaired.
In Leichtbauanwendungen sind Materialien mit geringen Dichten und hohen Festigkeiten gefragt. Insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) erfüllen diese Anforderungen und werden zunehmend für Strukturbauteile eingesetzt. Die Oberflächen moderner Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus FKV gefertigt. Das Versagen dieser Materialien hat massiven Einfluss auf die Einsatzfähigkeit der gesamten Windkraftanlage. Daher ist die Kenntnis des Versagensverhaltens dieser Komponenten unter statischer und zyklischer Belastung von großem Interesse, um die Betriebsbeanspruchung abzuschätzen. Im Idealfall wird die Schadensentwicklung unter Betriebslast mit zerstörungsfreien in-situ-Prüfverfahren ermittelt. Hier berichten wir über die Beobachtung der Rissentwicklung in Carbon-Faserverstärkten Kunststoffen (CFK) unter kontinuierlicher Zugbelastung durch in-situ Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie. Eine selbst entwickelte elektromechanische Zugprüfmaschine mit einem Kraftbereich bis zu 15 kN wurde in den Strahlengang an der BAMline (BESSY II) integriert. Da in herkömmlichen (Absorptions-) Radiographien Defekte wie Zwischenfaserbrüche oder Faser-Matrix-Enthaftung keinen ausreichenden Kontrast verursachen, wird zur Kontrastanhebung die Röntgenrefraktion benutzt. Hier wird das sogenannte Diffraction Enhanced Imaging (DEI) angewandt, um Primär- und gebrochene Strahlung mit Hilfe eines Analysatorkristalls zu trennen. Diese Technik ermöglicht schnelle Messungen mit einem Gesichtsfeld von einigen Quadratmillimetern (hier: 14 mm × 7.2 mm) und ist ideal für in-situ Untersuchungen. Die Bildgebung und der Zugversuch erfolgen mit einer Bildfrequenz von 0.7 / s und einer Dehnrate von 0.00055 / s . Bei 0°/90° Fasergelegen treten die ersten Zwischenfaserrisse bei 380 MPa (Dehnung 0.8 %) auf. Vor dem Versagen bei ca. 760 MPa (Dehnung 2.0 %) beobachten wir die Ausbildung eines nahezu äquidistanten Rissmusters (Risse in ca. 1 mm Abstand), das sich im geschädigten Zustand über die gesamte Probe erstreckt.
Self-healing agents have the potential to restore mechanical properties and extend service life of composite materials. Thermoplastic healing agents have been extensively investigated for this purpose in epoxy matrix composites due to their strong adhesion to epoxy and their ability to fill in microcracks. One of the most
investigated thermoplastic additives for this purpose is poly(ethylene-co-methacrylic acid) (EMAA). Despite the ability of thermoplastic healing agents to restore mechanical properties, it is important to assess how the addition of thermoplastic healing agents affect properties of the original epoxy material. In this work, EMAA was added to epoxy resin and the effect of the additive on fracture toughness of epoxy was evaluated. Results indicate that although added in low concentrations, EMAA can affect fracture toughness.
A new patented dynamic mechanical analysis (DMA) is presented, where the tensile, bending- or torsional stiffness of a media can be characterized in-situ during the phase transition from liquid to solid. An epoxy system, e.g. Hexion L285/H287, is filled into an elastomer container, such as a silicone tube. This can be mounted into a conventional OMA and, based on a linear viscoelastic approach, the storage modulus (E';G'), the loss modulus (E'';G'') and the loss angle tan(δ) can be measured at constant temperature as a function of time in order to investigate the liquid to sol-gel to solid transition. With this new method, the stiffness increase as a result of the cure process can be directly measured more precisely than with a rheometer in a shear plate set-up, because using an elastomer container gives a defined cross section for calculating the Young's modulus.
Fully-reversed fatigue behavior of scarf joint repairs for wind turbine blade shell applications
(2022)
To enable a quick and cost-effective return to service for wind turbine blades, localized repairs can be executed by technicians in the field. Scarf repairs, shown to be highly efficient with a smooth load transition across angled joint walls and a restored aerodynamic profile, are the focus of this work. The failure mechanisms of these structures were examined under quasi-static tensile and fully-reversed cyclic loading. While the scarf ratio was held constant at 1:50, the repair layup was varied between large-to-small and small-to-large. The effect of the presence of resin pockets and the fiber orientation mismatch between parent and repair material on the restored strength of BIAX ±45° glass fiber reinforced polymer scarf joint structures was studied.
A new patented dynamic mechanical analysis (DMA) is presented, where the tensile, bending- or torsional stiffness of a media can be characterized in-situ during the phase transition from liquid to solid. An epoxy system, e.g. Hexion L285/H287, is filled into an elastomer container, such as a silicone tube. This can be mounted into a conventional DMA and, based on a linear viscoelastic approach, the storage modulus (E’;G’), the loss modulus (E’’;G’’) and the loss angle tan(delta) can be measured at constant temperature as a function of time in order to investigate the liquid to sol-gel to solid transition. With this new method, the stiffness increase as a result of the cure process can be directly measured more precisely than with a rheometer in a shear plate set-up, because using an elastomer container gives a defined cross section for calculating the Young’s modulus.
This presentation is a summary of the work from the past 20 years’ development of PMC-testing at the BAM-FB 5.3 with respect to safety-relevant design of advanced light weight structures in aircraft, wind turbine and automotive applications. The talk begins with wood as an example from nature, and emphasizes that load case, fiber architectural design and the production process and quality have to go hand in hand to generate an advanced light weight structure. Since PMC-relevant basic findings of mankind span across hundreds of years, high-performance composite applications today are based more on long term experiences than on breakthrough inventions of modern days.
In the second part of the talk, future plans and projects of FB-5.3 are presented, specifically addressing H2-safety, circular economy, recycling by design and digitalization of PMC-technologies.
Im Rahmen des Vortrags werden die neusten Ergebnisse aus dem Fachbereich 5.3 zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von FKV mittels Mikromechanischer-Modelle präsentiert. Explizit wird der theoretische Ansatz am Beispiel von GFK unter thermomechanischer Beanspruchung hergeleitet und an Hand von Versuchsergebnissen verifiziert.
Glass fiber reinforced polymer (GFRP) materials in practical applications have to endure cyclic mechanical loading in a wide temperature range (e.g. aircraft applications, automotive, wind turbine blades). In this study the static strength and fatigue behavior of GFRP was investigated in a temperature range from 213 K to 343 K. Therefor the coefficients of thermal expansion of the composite as well as the matrix are measured in this temperature interval. The inverse laminate theory was extended and used to calculate the inter fiber-failure effort for a virtual UD-layer according to the layer wise strength approach. The experimentally determined results are compared with the micro-mechanical model according to Krimmer, which has been enhanced to include the effect of temperature and fiber-perpendicular failure modes. A correlation between matrix effort, the dilatational strain energy of the matrix and the damage state of the specimen is demonstrated. It is shown that a fatigue life assessment can be performed with the aid of a temperature-independent master fatigue curve, as it was similar done for the fatigue behavior of CFRP and GFRP to very high load cycles at room temperature.
In this study, the thermomechanical damage behavior of a glass fiber reinforced polymer material is investigated. The coefficients of thermal expansion of the composite as well as the matrix are measured in a wide temperature range. Quasi-static experiments with neat resin, unidirectional and multidirectional laminates are performed as well as fatigue experiments in a temperature range from 213 K to 343 K. This study focusses on the matrix damage due to fiber-parallel loading. A correlation between matrix effort, the dilatational strain energy of the matrix and the damage state of the specimen is demonstrated. It is shown that a fatigue life assessment can be performed with the aid of a temperature-independent master fatigue curve.
The mechanical behavior of fiber reinforced composites with polymer matrix is governed by several mechanisms operating at different length scales. In this contribution we describe first non-destructive techniques which are adequate for the characterization of the fiber-matrix interphase at a microscopic level. In a second step we describe on a mesoscopic level the influence of manufacturing related elements on the mechanical properties of rotor blades for wind turbines. We concentrate on thermography, laminography and ultrasound in connection with mechanical testing systems. Finally we present methods for monitoring rotor blades by using embedded optical fibers.
Moderne Segelflugzeuge sind voll-verklebte tragende FKV-Strukturen. Über die Schwingfestigkeit der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) und die Lebensdauerabschätzung dieser Werkstoffklasse auf Basis verschiedener Lastspektren wurden insbesondere von Christoph Kensche verschiedenen Arbeiten durchgeführt und auch auf dem Symposium für Segelflugzeugentwicklung vorgestellt. Hingegen ist die Betriebsfestigkeit von Struktur-Klebungen im Anwendungsbereich der CS22 vergleichsweise wenig untersucht worden.
Über die Jahre wurden in verschiedenen Projekten immer wieder Probleme in Struktur-Klebungen (u.a. Betriebsbelastungsversuche an Versuchs-Holmen) identifiziert, analysiert und spezielle Prüfverfahren weiter entwickelt (Projekt „Tragflügel neuer Technologie für die allgemeine Luftfahrt“, FK SIF765). Im Rahmen des LuFo-Vorhabens GeAviBoo (General Aviation Booster) wurde in zwei Arbeitspaketen das Thema erneut aufgegriffen und Betriebsbelastungsversuche an Klebproben durchgeführt. Im Rahmen des Vortrages werden die Erkenntnisse der letzten 10 Jahre aufbereitet und die neusten Ergebnisse vorgestellt.
A shell test bench was developed at BAM 5.3 which allows for static and fatigue testing of curved fiber-reinforced plastic (FRP) structures, during which in-situ the damage state can be non-destructively inspected by thermography and strain-field measurement techniques. Sandwich shell specimens with typical wind turbine blade manufacturing defects were designed and tested. The tested imperfections show a fairly significant reduction (up to 90%) of the shell test specimens‘ lifetime, depending on the type of imperfection. Using the in-situ NDT methods incorporated in the shell test bench, the location and cycle time of the initial defects and the damage evolution was investigated.
The common fatigue life certification of aircrafts according to the certification Standards 23 and 25 follows a building block approach. Static tests at room temperature as well in humid and high temperature conditions are done on the coupon level. Additionally, a full-scale static and fatigue test must be performed on the complete airframe (minimum on the fuselage together with the wing). For each type-certificate the complete building block approach test program must be performed.
Traditionally in Germany, the certification of sailplanes (Certification Standard 22) follows rather a family concept. A shared data base was created over the last 50 years based upon a large number of material testing. In addition to static tests at room temperature and hot-humid conditions, fatigue tests are also done on the coupon level. Additional static and fatigue tests were done on complex structures such as spar-beams, fuselages and full-scale wing structures. However, for each type-certificate, only static tests should be performed in full-scale. This concept is determined by the certification memorandum CM-S-006 “Composite Lightweight Aircraft” 2017.
The presentation was given as an introduction to the discussion about the future expectations and developments of the EASA concerning the type-certification of lightweight aircrafts according to CS22 at the OSTIVE Sailplane Development Panel Meeting at the EASA in Cologne on the 11th of October 2019.
Diese DIN SPEC legt ein Verfahren für die Prüfung von unverstärkten und partikel- und kurzfaserverstärkten Kunststoffen mittels Zug-Druck-Schubprüfung fest. Dieses Verfahren findet Anwendung zur Bestimmung der Schwingfestigkeit im Bereich von 103 bis 107 Schwingspielen und der Nachgiebigkeiten unter statischer Belastung sowie der Zugfestigkeit. Alle Beanspruchungen und berechneten Größen sind nennspannungs-basiert.
Grundsätzlich besteht bei Rohrprobekörpern auch die Möglichkeit eine Beanspruchung in Längs- und in Umfangsrichtung durch Innendruck zu erzeugen. Dies wird in dieser Spezifikation nicht berücksichtigt, um die Anwendung überschaubar zu halten. Bei Rohrproben mit ausgeprägter Querschnittsverkleinerung (z. B. der Prüfkörper Typ B), entsteht eine Umfangsspannung auch aufgrund einer Zugkraft (siehe Anhang C). Die Umfangsspannung muss dann mittels FEA lokal berechnet werden.
Das Verfahren gilt für rohrförmige Prüfkörper deren spezifische Form den Anforderungen der Werkstoff-prüfung und bei Kurzfaserverstärkung einer hohen Vorzugsausrichtung in Probenlängsrichtung genügen.
Diese DIN SPEC gilt nicht für endlosfaserverstärkte Kunststoffe. Wegen der vollkommen unterschiedlichen Fertigungstechnologien und der zu erwartenden hohen Prüflasten, sind hier die Anforderungen an die Prüfkörpergeometrie gesondert zu betrachten. Es wird nicht zielführend sein, beide Werkstoffklassen in einer Norm zu behandeln.
Der Fachbereich Mechanik der Polymerwerkstoffe befasst sich mit der Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Degradation von Polymeren und Faserverbundwerkstoffen, die in hochbeanspruchten, sicherheitsrelevanten Konstruktionen wie jenen des Flugzeugbaus, des Automobilbaus und der Windenergie-Industrie eingesetzt werden. Auch die Analyse der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Polymeren zählt zu unserem Aufgabenbereich.
Das Spektrum reicht von der statischen Festigkeit über die Betriebsfestigkeit, die Messung bruchmechanischer und viskoelastischer Parameter bis hin zur Formulierung molekularer Schädigungsmechanismen.
Statistically the mean time between damage events on rotor blades is 6 years (Deutscher Windenergie Report 2006). Due to imperfection in the production the shell structures get cracks after a few years fare before the designed life time. A shell test rig was built at BAM for efficient research on the effects of defects in production.
In-situ and ex-situ NDT give a better understanding from degradation processes in composite materials.
With advanced methods in the research on the fatigue behaviour of FRP it was found a load level of infinite life for GFRP and CFRP. This is in the range of typical strain values of airliners and rotor blades in normal operation.
Due to the fibre-composite nature NDT techniques have to be suitable to a wide length scale to image micro cracking as well as bigger defects. Therefore different techniques have to be applied and developed.