Funktionalisierung von duroplastischen Faserverbundwerkstoffen durch Hybridgarne

Die Natur arbeitet bereits seit Millionen von Jahren nach dem Evolutionsprinzip, Stoffe und Strukturen entsprechend den bestehenden Anforderungen mit einer hohen Festigkeit bei geringstem Gewicht auszulegen. Beispiele dafür sind unter anderem das Skelett der Säugetiere als Stützstruktur, die Längsfaser im Bambus oder die Zellstruktur von Balsaholz. Nach dem Vorbild der Natur werden zunehmend Werkstoffe entwickelt, die in Bezug auf die Festigkeit und Steifigkeit individuell an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können und hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen. Das geringe Gewicht, die Korrosionsbeständigkeit und die Isolierfähigkeit von duro- und thermoplastischen Matrixsystemen werden dabei ausgenutzt, um durch die Kombination mit Verstärkungsfasern signifikant die mechanischen Eigenschaften in Beanspruchungsrichtung zu verbessern. Ein enormer und zu nutzender Vorteil gegenüber der Natur ist die Möglichkeit, bei der Entwicklung und Fertigung von sogenannten Verbundwerkstoffen zusätzlich noch spezielle Funktionen integrieren zu können.

Derzeitige Entwicklungen im Bereich der Faserverbundwerkstoffe (FVW) beschäftigen sich zunehmend mit der Funktionalisierung dieser Werkstoffgruppe. Dabei ist die Art und Weise eine Funktionalisierung in dieser Werkstoffgruppe zu generieren derart vielfältig, dass hier zuerst ein allgemeiner Einblick in die aktuellen Entwicklungen gegeben und anschließend auf den Stand der Technik der bearbeiteten Problemstellung überführt wird. Die Funktionalisierung von Verbundwerkstoffen wird in der Fachwelt und Literatur in passive und aktive Funktionalisierung unterteilt. Unter einer passiven Funktionalisierung wird dabei vorrangig die Beeinflussung der mechanischen Werkstoffeigenschaften bzw. eine Immunisierung des Werkstoffes gegenüber einer Belastung, deren Art und Höhe im Vorfeld bekannt ist, verstanden. Das kann z. B. beim Auftreten einer Störfrequenz, die der Eigenfrequenz des Bauteils entspricht, die Veränderung der Eigenfrequenz des Bauteils durch integrierte Aktoren sein [1, 2, 6]. Eine aktive Funktionalisierung ist die Integration von Sensoren und/oder Aktoren, die z. B. definierte Mess- oder Stellaufgaben übernehmen. Ein ganzes System von Aktoren und Sensoren, das selbstoptimierend auf Umwelteinflüsse bzw. auf äußere Veränderungen reagiert, wird als adaptives System bezeichnet. Ein adaptives System beinhaltet somit mehrere verschiedene Arten der aktiven Funktionalisierung mit einer entsprechenden internen oder externen elektrischen Regelung in einem Bauteil.

In Kapitel 2 ist ein Überblick über die möglichen aktorischen und sensorischen Materialien für die Integration in Faserverbundwerkstoffe (FVW) gegeben. Nach diesen Ausführungen werden nun die Funktionskomponenten betrachtet, welche für eine aktorische Aufgabe, speziell für die Verformung von FVW, geeignet sind und welche die grundlegendenden Voraussetzungen für eine textile Verarbeitung erfüllen. In der Tabelle 3.1 sind die aktorischen Funktionskomponenten aufgeführt. In der letzten Spalte erfolgt die Abschätzung, ob die Funktionskomponenten nach einer textiltechnologischen Verarbeitung ohne Schädigung in ein textiles Halbzeug integriert werden können.

Die Entwicklung der Hybridgarne konzentriert sich auf die Realisierung einer vollständigen Abdeckung der FGL durch Verstärkungsfasern, auf eine freie Beweglichkeit der FGL zwischen den Stellen der Krafteinleitung in die Verbundstruktur und auf die gute Verarbeitbarkeit dieser FGL-Hybridgarne in textile Verstärkungsstrukturen. Durch die erfolgreiche Herstellung der FGL-Hybridgarne wird ein fadenförmiges Halbzeug bereitgestellt, welches sich für die Integration in textile Verstärkungsstrukturen und für die Funktionalisierung von FVW eignet. Durch diese besondere Vorgehensweise bei der Verarbeitung von Formgedächtnisdrähten in FVW und der Möglichkeit das Verstärkungsfasermaterial als Schutzmantel verarbeiten zu können, kann die Integration der Drähte unabhängig vom Kraft- Dehnungs-Verhalten des Faserverbundwerkstoffes erfolgen.

In diesem Kapitel werden die für die Verformung der Faserverbundstrukturen notwendigen Kräfte und die sich einstellende Form der Verbundstrukturen in Abhängigkeit der Verstärkungsfadenanordnung durch eine Modellierung und Simulation mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) an einem exemplarischen Beispiel ermittelt. Daraus leiten sich die Anordnung und die Anzahl der für die definierte Verformung der Verbundstrukturen notwendigen Formgedächtnislegierungen (FGL) ab. Die Grundlagen der Strukturberechnung werden mithilfe der Elastizitätstheorie erläutert und der entwickelte Versuchsaufbau zur Verifikation der Simulationsergebnisse dargestellt. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind eine Faserverbundstruktur, die einen definierten, verifizierbaren sowie einfach messbaren Verformungszustand aufweist und die für eine weitere Verformung dieser Struktur notwendigen Kräfte, die durch die FGL im Demonstrator aufgebracht werden müssen.

In diesem Kapitel soll anhand von zwei Demonstratoren der Einsatz von Formgedächtnislegierungen (FGL), integriert durch Hybridgarne, für die Verformung von Faserverbundstrukturen beispielhaft aufgezeigt werden. Die Realisierung der Demonstratoren bildet abschließend die Verifikation der erarbeiteten, theoretischen Grundlagen aus den vorangegangenen Untersuchungen. Der Aufbau und die Formgebung der Demonstratoren soll am Beispiel der biaxial-verstärkten Verbundstruktur aus Kapitel 5 erfolgen. Dafür werden die Formgedächtnisdrähte 2a und 3a, wie in Kapitel 4 beschrieben, zu FGL-Hybridgarnen mit einem aus Glasfasern bestehenden Mantel verarbeitet und auf der Schussseite des biaxial-verstärkten Gestrickes, welches nach der Konsolidierung die Zugseite der durch Eigenspannungen gekrümmten Verbundstruktur ist, angeordnet. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit der Formgedächtnisdrähte und der Verbundstrukturabmessungen werden pro Demonstrator und FGL-Variante händisch 20 FGL-Hybridgarne integriert. Dieses Vorgehen wird durch die einseitige Erhöhung des Glasfaseranteils infolge der FGL-Hybridgarnintegration die Ausgangskrümmung der Verbundstruktur verändern. Das wird in Kauf genommen, da die Funktionsüberführung und -überprüfung der FGL über alle Prozessstufen bis zur konsolidierten Verbundstruktur im Vordergrund steht. Diese Erhöhung des Glasfaseranteils durch die händische Integration tritt bei der späteren Verwendung der FGL-Hybridgarne nicht auf, da sie maschinell verarbeitet werden und bei der Integration in das Flächengebilde die eigentlichen Verstärkungsfäden substituieren. Dabei ist bei der Herstellung der FGL-Hybridgarne sicherzustellen, dass die Feinheit des FGL-Hybridgarnes unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Materialien mit der Feinheit des substituierten Verstärkungsfadens gleich ist.

Durch die Integration von multifunktionalen Komponenten in Verbundwerkstoffe ist es möglich, eine neue Generation von Strukturen und Bauelementen zu realisieren, die sowohl sensorische bzw. aktorische Eigenschaften aufweisen als auch selbstregulierend auf äußere Einflüsse reagieren. Bei der Entwicklung sogenannter adaptiver Strukturen werden im Wesentlichen die beiden Zielrichtungen der Strukturüberwachung und der Strukturregulierung verfolgt. Aus dieser Motivation resultiert das grundsätzliche Ziel dieser Arbeit, einen Beitrag zur aktiven Funktionalisierung von Faserverbundstrukturen durch die Verarbeitung von speziellen Funktionskomponenten durch den gesamten Fertigungsprozess von der Einzelkomponente zum Faserverbundbauteil, unter Beachtung der hohen mechanischen und zum Teil thermischen Belastungen in den einzelnen Prozessstufen, zu leisten. Der Fertigungsprozess beinhaltet bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mit integrierten Hybridgarnen als Funktionsträger die Einzelprozesse der Hybridgarnherstellung, der Fertigung der textilen Halbzeuge sowie der Preformund der Bauteilherstellung. In dieser Arbeit steht die Integration von speziellen FGL-Hybridgarnen in Verstärkungshalbzeuge und die Ausnutzung des Formgedächtniseffekts zur Formgebung der funktionalisierten und konsolidierten Verbundstruktur im Fokus der Untersuchungen. Die Kombination von leistungsfähigen Leichtbau-Konstruktionen mit einer durch ein Hybridgarn integrierten zusätzlichen Funktion, wie hier der Strukturregulierung, die Multifunktionalität der integrierten Komponente und die kostengünstige Herstellung der Bauteile durch automatisierte Fertigungsprozesse stellen einen innovativen Beitrag für die Entwicklung von neuartigen funktionsintegrierenden Leichtbaukonzepten dar.