Ganzheitliche Werkstoffcharakterisierung von Kunststoffen und Faserverbunden: Drei Fraunhofer-Institute bündeln Kompetenzen

Die gebündelten Kompetenzen der Fraunhofer-Institute IWM, IZFP und LBF umfassen In-Situ Analysemethoden zur mikroskopischen und makroskopischen Schadensausbreitung, die Ableitung von Schädigungsmechanismen sowie deren Modellbildung in numerischen Material- und Versagensmodellen. Insbesondere für die Bestimmung der Rissentstehung und Rissausbreitung in Kunststoffen und Faserverbunden steht eine sehr gut validierte Methodik zur Verfügung, mit der sich die benötigten Kennwerte bestimmen lassen. Derzeit liegen für Kunststoffe und Faserverbunde keine Konzepte und Erfahrungen mit diesen Kennwerten vor, die es ermöglichen, sie zur Bauteilauslegung und -bemessung einzusetzen. Die Vorteile einer bruchmechanischen Bemessung liegen klar auf der Hand: erhöhte Zuverlässigkeit und verringertes Bauteilgewicht.

Kompetenzen an drei Standorten

Das Fraunhofer IWM arbeitet auf dem Gebiet der mechanismenorientierten Materialcharakterisierung und Modellierung. Mit Hilfe einer Mikroprobenprüftechnik und begleitender numerischer Simulation lässt sich die Entstehung von Rissen auf der mikroskopischen Ebene beobachten und der numerischen Simulation zugänglich machen. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen entwickelt das Fraunhofer IWM makroskopische Materialmodelle, implementiert benutzerdefinierte Module in kommerziell verfügbare Finite-Elemente-Programme und macht diese so für die Bauteilberechnung verfügbar.

Der Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer IZFP liegt auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Charakterisierung von Kunststoffen und Faserverbunden. Mittels höchstauflösender Computertomographie als Referenzverfahren können die Defektentstehungsmechanismen und Werkstoffeigenschaften im Mikrostrukturbereich analysiert werden. Darüber hinaus bilden Ultraschall-, Thermographie- und Mehrfrequenz-Wirbelstrom-Verfahren sowie entsprechende Prüfsysteme zur Charakterisierung der defektbedingten Schädigungsentwicklung von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen einen wichtigen Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Fraunhofer IZFP. Diese Arbeiten decken die gesamte Wertschöpfungskette des Produktlebenszyklus von der Werkstoff- und Bauteilentwicklung über die Produktionsüberwachung bis zum Betrieb ab.

Das Fraunhofer LBF charakterisiert Kunststoffe und Faserverbunde hinsichtlich deren Schwingfestigkeitseigenschaften unter realen Einsatzbedingungen. Die daraus gewonnen Kennwerte fließen in ein Konzept zur betriebsfesten Bemessung von Strukturbauteilen aus Kunststoff und Faserverbunden ein. Mit makroskopischen und thermographischen Methoden lassen sich das Anriss- und Rissausbreitungsverhalten sowie die hysteretische Erwärmung unter schwingender Beanspruchung bestimmen. Daraus können Wechselwirkungen aus mechanischer Beanspruchung und Umwelteinflüssen auf die Belastbarkeit bestimmt und bei der Bauteilauslegung berücksichtigt werden.