5 Werkstofftechnik
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Organisationseinheit der BAM
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (95) (entfernen)
Eingeladener Vortrag
- nein (52)
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden zunehmend in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und Windenergieindustrie eingesetzt. Die hier entwickelten Bauteile sind oft nicht nur multiaxialen mechanischen Belastungen, sondern auch hohen klimatischen Beanspruchungen ausgesetzt. Einsatztemperaturen zwischen -60°C und 100°C bei 10-90% relativer Feuchte sind keine Seltenheit, in der Raumfahrt sind die thermischen Belastungen noch extremer. Die Auswirkungen einer Wechselwirkung extremer klimatischer Beanspruchungen mit multiaxialen mechanischen Belastungen wurden bisher kaum betrachtet. Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens der Faser-Kunststoff-Verbunde in Abhängigkeit von multiaxialer mechanischer Belastung, Temperatur und Feuchte. Dazu werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Flach- und Rohrproben sowie numerische und analytische Berechnungen durchgeführt.
Im Rahmen des Seminarvortrags wird eine mikromechanische Modellierung der thermischen Eigenspannungen innerhalb des FKV vorgestellt, welche anhand eines Finite-Elemente-Modells validiert wird. Zur Bestimmung einer Schädigungsgrenze werden verschiedene Energieansätze diskutiert, welche anschließend mit den experimentell erhaltenen Ergebnissen im Temperaturbereich zwischen -60 °C und 70 °C verglichen werden. Dabei wird gezeigt, dass mithilfe der mikromechanischen Formulierung eine temperaturunabhängige Masterschädigungslinie für quasistatisch belastete Probekörper abgeleitet werden kann. Des Weiteren können Elastizitäten und Festigkeiten in Abhängigkeit der Temperatur mit den mikromechanischen Mischungsregeln bestimmt werden. So kann der experimentelle Aufwand beim Nachweis thermomechanisch belasteter Strukturen reduziert werden. Ein ähnlicher Ansatz wird für schwingende Ermüdungsbelastung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen diskutiert und experimentell überprüft.
Fiber reinforced polymers (FRPs) are a well established material in lightweight applications, e.g. in automotive, aerospace or wind energy. The FRP components are subjected to multiaxial mechanical as well as hygrothermal loads. Common operation temperatures are in the range of 213 K and 373 K (-60 °C and 100 °C) at a relative humidity of 10% to 90%. In spacecraft applications, the environmental conditions are even more extreme. However, the correlation between multiaxial mechanical loading and harsh environment conditions have to-date not been investigated in detail. The project aims to investigate the fatigue behavior of FRPs dependent on multiaxial mechanical loading, temperature, and humidity. Extensive experimental testing is performed on flat plate and cylindrical tube specimens, accompanied by numerical and analytical calculations.
Sandwich-Schalenstrukturen in situ charakterisiert mit Thermographie und Felddehnungsmessungen
(2018)
An der BAM wurde ein Schalenprüfstand entwickelt, mit dem typische Sandwichschalenstrukturen unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet werden können. Im mechanischen Ermüdungsversuch wurden in situ die Entstehung von Schäden in Schalenprüfkörpern mit Test-Imperfektionen mittels der passiven Thermographie und Felddehnungsmessungen verfolgt. Damit konnten der Zeitpunkt, der Schadensursprung und der Schadensfortschritt zerstörungsfrei bestimmt werden. Zudem wurden vergleichend Schalenprüfkörper mit Luftultraschall und der Röntgen-Laminographie untersucht. Im Rahmen eines BMWi-Forschungsvorhabens wurden die Schädigungsmechanismen evaluiert und Empfehlungen für die Praxis der Fertigung von Rotorblättern abgeleitet. In diesem Beitrag wird sich auf die Darstellung der ZfP-Verfahren und der ZfP-Ergebnisse konzentriert.
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Epoxidharzsysteme charakterisiert. Zwei Systeme mit großen bruchmechanischen Unterschieden wurden zur Fertigung äquivalenter GFK- und CFK-Laminate mit Faserausrichtungen in 0/90° und ±45° ausgewählt. In quasi-statischen Zugversuchen und Einstufenschwingversuchen mit einem Beanspruchungsverhältnis von R= 0,1 wurden diese Laminate hinsichtlich ihres Schädigungsbeginns und ihrer Schädigungsentwicklung untersucht. Die Detektion der Schädigungen sowie die Dokumentation der Schädigungsentwicklung wurde anhand der Lichtabsorptionsanalyse an GFK-Laminaten und anhand der Röntgenrefraktionsanalyse an CFK-Laminaten umgesetzt. Auf diese Weise konnten Einflüsse der bruchmechanischen Eigenschaften der Matrix auf die Schädigungsentwicklung im Verbund aufgezeigt werden. Zudem wurden für die untersuchten Laminate die Schädigungsgrenzen bei schwingender Beanspruchung ermittelt. Anhand durchgeführter Schwingversuche an CFK-Laminaten im Very High Cycle Fatigue-(VHCF)-Lastwechselbereich bis 108 konnten Rückschlüsse vom Schädigungsverhalten im High Cycle Fatigue-(HCF)-Lastwechselbereich bis 106 auf die Dauerfestigkeit im VHCF-Bereich gezogen werden und damit VHCF-Dauerfestigkeitsgrenzen bestimmt werden. Mit dem Ziel die Ermüdung der Laminate auf die Beanspruchung der Matrix zurückzuführen, wurden die Erweiterte Inverse Laminattheorie, mikromechanikbasierte Mischungsregeln sowie eine Vergleichsspannungshypothese auf die untersuchten Laminate angewendet. Die Schädigungsgrenzen konnten damit in Form der Matrixbeanspruchung wiedergegeben werden. Die Abbildung der Ermüdung verschiedener Laminate anhand einer matrixspezifischen normierten Masterschädigungslinie ist für die behandelten CFK- und GFK-Laminate gelungen.
Common air-coupled transducers for non-destructive testing consist of a piezocomposite material and several matching layers. Better acoustical matching to air is achieved by transducers based on charged cellular polypropylene (PP). This material has about hundred times lower acoustic impedance than any piezocomposite, having about the same piezoelectric coefficient. The piezoelectric properties of cellular PP are caused by the polarization of air cells. Alternatively, a ferroelectret receiver can be understood as a capacitive microphone with internal polarization creating permanent internal voltage. The sensitivity of the receiver can be increased by applying additional bias voltage. We present an ultrasonic receiver based on cellular PP including a high-voltage module providing bias voltage up to 2 kV. The application of bias voltage increased the signal by 12 to 15 dB with only 1 dB increase of the noise.
This receiver was combined with a cellular PP transmitter in through transmission to inspect several test specimens consisting of glass-fiber-reinforced polymer face sheets and a porous closed-cell PVC core. These test specimens were inspected before and after load. Fatigue cracks in the porous PVC core and some fatigue damage in the face sheets were detected. These test specimens were originally developed to emulate a rotor blade segment of a wind power plant. Similar composite materials are used in lightweight aircrafts for the general aviation. The other inspected test specimen was a composite consisted of glass-fiber-reinforced polymer face sheets and a wooden core. The structure of the wooden core could be detected only with cellular PP transducers, while commercial air-coupled transducers lacked the necessary sensitivity. Measured on a 4-mm thick carbon-fiber-reinforced polymer plate, cellular PP transducers with additional bias voltage achieved a 32 dB higher signal-to-noise ratio than commercial air-coupled transducers.
Common air-coupled transducers for non-destructive testing consist of a piezocomposite material and several matching layers. Better acoustical matching to air is achieved by transducers based on charged cellular polypropylene (PP). This material has about hundred times lower acoustic impedance than any piezocomposite, having about the same piezoelectric coefficient. The piezoelectric properties of cellular PP are caused by the polarization of air cells. Alternatively, a ferroelectret receiver can be understood as a capacitive microphone with internal polarization creating permanent internal voltage. The sensitivity of the receiver can be increased by applying additional bias voltage. We present an ultrasonic receiver based on cellular PP including a high-voltage module providing bias voltage up to 2 kV. The application of bias voltage increased the signal by 12 to 15 dB with only 1 dB increase of the noise.
This receiver was combined with a cellular PP transmitter in through transmission to inspect several test specimens consisting of glass-fiber-reinforced polymer face sheets and a porous closed-cell PVC core. These test specimens were inspected before and after load. Fatigue cracks in the porous PVC core and some fatigue damage in the face sheets were detected. These test specimens were originally developed to emulate a rotor blade segment of a wind power plant. Similar composite materials are used in lightweight aircrafts for the general aviation. The other inspected test specimen was a composite consisted of glass-fiber-reinforced polymer face sheets and a wooden core. The structure of the wooden core could be detected only with cellular PP transducers, while commercial air-coupled transducers lacked the necessary sensitivity. Measured on a 4-mm thick carbon-fiber-reinforced polymer plate, cellular PP transducers with additional bias voltage achieved a 32 dB higher signal-to-noise ratio than commercial air-coupled transducers.
High-performance composites, including glass-fiber reinforced plastic (GFRP) materials, are favored as a construction material for wind turbine rotor blades due to their high specific strength and stiffness properties. During the manufacturing process, however, imperfections are often introduced, then further propagated due to harsh environmental conditions and a variety of loads. This leads to failure significantly before their projected 20-year lifespan. As replacement of entire blades can be a costly potential outcome, localized repair of the damaged region to restore structural integrity and thus lengthen its lifespan has become an important issue in recent years. Rotor blades are often repaired using a common technique for composite laminates: adhesively bonded structural repair patches. These methods involve replacing the lost load path with a new material that is joined to the parent structure, and include scarf or plug repairs. However, there currently do not exist any standardized repair procedures for wind turbine rotor blades, as comparisons of blade properties repaired with the existing methods have not been studied in depth. Namely, there is a lack of understanding about the effects of various repair methods on the fatigue life of the shells of rotor blades. This study therefore aims to begin to fill this knowledge gap by testing the influence of different repair patches on the blades’ mechanical properties. Manufactured with the vacuum-assisted resin infusion process, the test specimens are produced as a curved structure with GFRP sandwiching a polyvinyl chloride foam core to best represent a portion of a rotor blade shell. Scarf repairs are then introduced with varying layup techniques, and material properties are examined with cyclical fatigue tests. Crack growth and development is monitored during fatigue testing by various non-destructive testing methods, including passive thermography with an infrared camera system, and a 3D deformation analysis system with ARAMIS. Large deformation fields and detection of in- and out-of-plane deformations is thus possible in-situ. The mechanical behavior and development of defects in the various repaired specimens is compared to each other as well as to reference test specimens with no repair patches. In-situ test data is combined with further non-destructive testing methods, including laminography, and active thermography, to develop a robust understanding of the effects of repair concepts.
Effects of various geometrical and physical factors, as well as the method of data reduction (analysis of
experimental forceedisplacement curves) on the values of local interfacial strength parameters (local IFSS, td, and critical energy release rate, Gic) determined by means of a single fiber pull-out test are discussed. Experimental results of our pull-out tests on several fiberepolymer matrix systems showed that td and Gic weakly depended on geometrical factors. However, the pull-out test appeared to be sensitive to the conditions of specimen formation and testing, such as changing the nature of the contacting surfaces (fiber sizing) and the fiber pull-out rate. Of several methods of td and Gic Determination from a forceedisplacement curve, the most reliable and reproducible one is the approach based on the values of the maximum force recorded in a pull-out test and the interfacial frictional force immediately after fiber debonding.
Hochleistungsverbundwerkstoffe, bzw. Glasfaser-Kunststoff-Verbunde (GFK), haben sich als Leichtbauwerkstoffe für Leichtflugzeuge und Rotorblätter von Windkraftanlagen etabliert. Die hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit qualifizieren sie besonders für diese Anwendung. Während der Fertigung werden Imperfektionen häufig in die Blattschalen eingebracht. Durch Witterungseinflüsse kommt es zum Schadensfortschritt. Infolgedessen treten Schäden in der Blattschale, die den sicheren Betrieb gefährden können, weit vor der projektierten Lebensdauer von 20 Jahren auf. Da der Austausch von ganzen Blättern sehr kostintensiv ist, ist eine lokale Reparatur des geschädigten Bereichs zur Wiederherstellung der strukturellen Integrität, viel preisgünstiger. Die Reparatur von Rotorblättern ist in den letzten Jahren zu einem wichtigen Thema geworden. Derzeit werden verschiedenste Reparaturkonzepte angewendet. Eine einheitliche Reparaturvorgabe gibt es bisher nicht. Die Auswirkungen der angewendeten Reparaturkonzepte auf die Betriebsfestigkeit der Reparaturstelle sind weitestgehend unbekannt und sollen deshalb in diesem Projekt untersucht werden. Gekrümmte Voll-Laminat sowie Sandwich Prüfkörper werden mit dem Vacuum-Assisted-Resin-Infusion-Prozess (VARI) produziert. Um einen Teil einer Rotorblattschale darzustellen, sind sie als GFK aufgebaut, beziehungsweise die Sandwich Strukturen mit einem Polyvinylchlorid-Schaumkern (PVC) Kern, wie im Original. Schalenreparaturen in verschiedenen Layup-Techniken und Geometrie werden eingebracht und die Materialeigenschaften mit zyklischen Ermüdungstests untersucht. Im Projekt werden ideal im Labor erzeugte Reparaturstellen mit in der Praxis angewendeten Ausführungstechniken eines Industriepartners experimentell verglichen. Für die in-situ Detektion der Schadensentwicklung während des Ermüdungsversuches kommt ein kombiniertes Felddehnungs- und Thermografie-Kamerasystem zum Einsatz. Das mechanische Verhalten und die Schadensentwicklung in den verschiedenen reparierten Prüfkörper wird miteinander sowie mit den Referenzproben ohne Reparaturstellen verglichen. Zudem wird in numerischen Modellen für die verschiedenen Reparaturtechniken eine Spannungsanalyse durchgeführt um hinsichtlich der Betriebsbeanspruchung eine Bewertung angeben zu können.
PE-HD as a polymeric fuel storage tank material: Photooxidation, fuel sorption and long-term storage
(2018)
High-density polyethylene (PE-HD) is a commodity thermoplastic polymer which is typically used for packing of dangerous goods. Its good resistance against photooxidation, fuels, chemicals and other environmental factors in addition to low production costs makes PE-HD attractive for fuel storage applications. Typical engine fuels stored in polymer tanks are petrol, diesel and biodiesel that receives increasing attention as proper alternative to fossil fuels. One of the major problems with biodiesel is its susceptibility to oxidize due to its chemical composition of unsaturated fatty acids which also can cause polymer degradation.
The aim of this study is to investigate the influence of different environmental factors, UV radiation and commonly stored fuels, on the mechanical, physical and chemical properties of two types of PE-HD polymers (stabilized and non-stabilized). The influence on the mechanical properties was tested by Charpy and tensile tests, chemical and physical properties were evaluated by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and by dynamical mechanical analysis (DMA) tests. Samples were characterized after varying exposure time of UV radiation and after fully and partially immersion in biodiesel. In addition, similar experiments were conducted using diesel for comparison.
The first documentation of fuel biodeterioration dates back to the late 19th century. However, extensive studies concerning the microbial fuel contamination started in 1980’s. Polymeric fuel storage tanks containing diesel and biodiesel provide environmental conditions for microbial growth. Several studies demonstrated that bacteria, which were found in contaminated fuel systems, can use fuels as macronutrient; but such bacteria can also cause microbiologically influenced corrosion and fouling.
The aim of this study is to investigate the initial attachment behavior of bacteria, isolated from a diesel contamination, on neat and photooxidized high-density polyethylene (PE-HD). Two common PE-HD’s, less- and biodiesel-stabilized, were radiated to UV light representing a tank exposed to sunlight. The effect of photooxidiation on PE-HD’s surface were characterized chemically by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). The attached bacteria Pseudomonas aeruginosa and Bacillus subtilis on the polymer surface were evaluated by fluorescence microscopy and colony-forming unit tests (CFU).
Glass-fibre-reinforced plastics (GFRP) are commonly used for the construction of pressure vessels and tanks for example in automotive and aerospace industries. Especially for pressure vessels used for the storage of natural gas or hydrogen with operation pressures up to 700 bar, an early material fatigue detection is of great interest. Measuring the distributed strain profile of GFRP structures helps to understand and detect material fatigue. In this article, we demonstrate the great potential of swept wavelength interferometry (SWI) based distributed strain sensing for the monitoring of pressure vessels made from GFRP. A resin transfer molding (RTM) process was used to manufacture GFRP-tube specimens. Commercial optical fibres with polyimid coating were glued to the surface externally in circumferential and axial direction. A cyclic load of up to 150 bar was applied to the samples using a servo-hydraulic test bench. Comparing the loaded and unloaded test conditions, we determined up to 2 % elongation in circumferential direction. We demonstrate reliable distributed strain measurements with sub-centimetre spatial resolution. By monitoring these high-resolution strain profiles, we were able to detect local material degradation that manifested itself as localized strain changes. Crucially, the material Degradation could be detected already after 75 % of dat the fatigue life before a crack appeared that led to leakage.
3D structural investigations are described by X-ray laminography studies of sandwich shell segments, made of a PVC foam core, covered by non-crimp fabric glass fibre composite lay-ups processed by vacuum assisted resin infusion of epoxy. The specific scope of this study is to image transversal flaws within the foam core (joints) and of single ply overlaps. Test flaws were purposely implemented in order to simulate typical failure under cyclic load. In a dedicated test rig for shell structures, the flaw evolution/propagation is monitored by thermography and optical 3D inspection of deformation. Due to the unfavourable preconditions for classical computed tomography as of large aspect ratio, the samples were investigated by coplanar translational laminography. Its limited range of observation angles of ± 45°, results in anisotropic artefacts about the normal to the sample surface, but the typical flaws are well visualized in the as-prepared state, in a state of early damage, and in the repaired state.
3D structural investigations are described by X-ray laminography studies of sandwich shell segments, made of a PVC foam core, covered by non-crimp fabric glass fibre composite lay-ups processed by vacuum assisted resin infusion of epoxy. The specific scope of this study is to image transversal flaws within the foam core (joints) and of single ply overlaps. Test flaws were purposely implemented in order to simulate typical failure under cyclic load. In a dedicated test rig for shell structures, the flaw evolution/propagation is monitored by thermography and optical 3D inspection of deformation. Due to the unfavourable preconditions for classical computed tomography as of large aspect ratio, the samples were investigated by coplanar translational laminography. Its limited range of observation angles of ± 45°, results in anisotropic artefacts about the normal to the sample surface, but the typical flaws are well visualized in the as-prepared state, in a state of early damage, and in the repaired state.
Cyclic fatigue behavior of glass fiber reinforced epoxy resin at ambient and elevated temperatures
(2018)
The fatigue behavior of ±45° glass fiber reinforced epoxy resin under cyclic mechanical and constant thermal loading is investigated in this study. Tests at three different temperature levels in the range 296 K to 343 K have been performed in order to create S-N curves for each temperature level. The specimen damage is measured in-situ using optical grayscale analysis. The characteristic damage state (CDS) is evaluated for each specimen. It is shown that the point of CDS is suitable as a failure criterion to compare the resulting S-N curves. With micromechanical formulations, the temperature-dependent matrix effort is calculated for each stress-temperature level. In terms of matrix effort, the longest fatigue life is reached at high temperatures, while, in terms of stress, the lowest fatigue life is reached at the highest temperatures.
Cyclic fatigue behavior of glass fiber reinforced epoxy resin at ambient and elevated temperatures
(2018)
The fatigue behavior of ±45° glass fiber reinforced epoxy resin under cyclic mechanical and constant thermal loading is investigated in this study. Tests at three different temperature levels in the range 296 K to 343 K have been performed in order to create S-N curves for each temperature level. The specimen damage is measured in-situ using optical grayscale analysis. The characteristic damage state (CDS) is evaluated for each specimen. It is shown that the point of CDS is suitable as a failure criterion to compare the resulting S-N curves. With micromechanical formulations, the temperature-dependent matrix effort is calculated for each stress-temperature level. In terms of matrix effort, the longest fatigue life is reached at high temperatures, while, in terms of stress, the lowest fatigue life is reached at the highest temperatures.
Um den sicheren Betrieb von Windkraftanlagen zu gewährleisten, werden Rotorblätter nach der Fertigung und nach Reparatur mit verschiedenen zerstörungsfreien Verfahren auf Schaden untersucht. Bei der Fertigung von Blattschalen, die in einer Sandwich-Schalenbauweise gefertigt werden, entstehen Imperfektionen, die unter Belastung zu großen Rissen führen können. Zur Prüfung von Blattschalen wird unter anderem Ultraschallprüfung in Kontakttechnik eingesetzt. Um den Wartungsaufwand von Ultraschallanlagen zu reduzieren und um manche Kompositstrukturen vor Koppelmittel zu schützen, wird die Anwendung von Luftultraschall erforscht. Insbesondere große Fortschritte gibt es im Bereich der Entwicklung neuer Wandler.
In diesem Beitrag berichten wir über die Luftultraschallprüfung von Schalen für Rotorblätter. Es wurden typische Sandwichschalenstrukturen hergestellt und mit einem eigenentwickelten Schalenprüfstand unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet. Die in den Schalenprüfkörpern entstandenen Schäden wurden außerhalb des Prüfstandes mit Luftultraschall in Durchschallung untersucht. Es wurden fokussierende Wandler auf Basis von Ferroelektreten entwickelt und für diese Prüfungen eingesetzt. Mit zusätzlicher elektrischer Vorspannung konnte die Empfindlichkeit der Empfänger deutlich erhöht werden. Die nach dem Lastwechsel entstandenen Schäden in den Rotorblattschalen waren eindeutig zu detektieren.
Um den sicheren Betrieb von Windkraftanlagen zu gewährleisten, werden Rotorblätter nach der Fertigung und nach Reparatur mit verschiedenen zerstörungsfreien Verfahren auf Schaden untersucht. Bei der Fertigung von Blattschalen, die in einer Sandwich-Schalenbauweise gefertigt werden, entstehen Imperfektionen, die unter Belastung zu großen Rissen führen können. Zur Prüfung von Blattschalen wird unter anderem Ultraschallprüfung in Kontakttechnik eingesetzt. Um den Wartungsaufwand von Ultraschallanlagen zu reduzieren und um manche Kompositstrukturen vor Koppelmittel zu schützen, wird die Anwendung von Luftultraschall erforscht. Insbesondere große Fortschritte gibt es im Bereich der Entwicklung neuer Wandler.
In diesem Beitrag berichten wir über die Luftultraschallprüfung von Schalen für Rotorblätter. Es wurden typische Sandwichschalenstrukturen hergestellt und mit einem eigenentwickelten Schalenprüfstand unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet. Die in den Schalenprüfkörpern entstandenen Schäden wurden außerhalb des Prüfstandes mit Luftultraschall in Durchschallung untersucht. Es wurden fokussierende Wandler auf Basis von Ferroelektreten entwickelt und für diese Prüfungen eingesetzt. Mit zusätzlicher elektrischer Vorspannung konnte die Empfindlichkeit der Empfänger deutlich erhöht werden. Die nach dem Lastwechsel entstandenen Schäden in den Rotorblattschalen waren eindeutig zu detektieren.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist eine Ressortforschungseinrichtung, die zum Schutz von Mensch, Umwelt und Sachgüter, forscht, prüft und berät. Im Fokus aller Tätigkeiten in der Materialwissenschaft, der Werkstofftechnik und der Chemie steht dabei die technische Sicherheit von Produkten und Prozessen. Dazu werden Substanzen, Werkstoffe, Bauteile, Komponenten und Anlagen sowie natürliche und technische Systeme erforscht und auf sicheren Umgang oder Betrieb geprüft und bewertet. Schwerpunkt des Vortrages sind multimodale Polymeranalytik, nanoskalige Sensormaterialien und die Charakterisierung von technischen Eigenschaften von Polymeren sowie ihre Alterung und Umweltrelevanz.