01.03.2018
Bild einer Platte aus Kompositmaterial mit verschiedenen Aufprallschäden

Platte aus Kompositmaterial (Mitte) und Trennung der Aufprallschäden für jede Schicht der Platte, in der Schadensgeometrie und -ausdehnung zu sehen sind

Quelle: BAM, Fachbereich Mikro-Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)

Die Nachfrage nach immer leichteren und dennoch stabileren Bauteilen macht die Luft- und Raumfahrtindustrie zu einer der treibenden Kräfte in der Erforschung und Entwicklung neuer Materialien. So ersetzen kohlenstofffaserverstärke Kunststoffe (CFK) im Flugzeugbau nach und nach herkömmliche Leichtmetalllegierungen, wie Aluminium und Titan. CFK bieten aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Steifig- und Festigkeit Vorteile gegenüber herkömmlich verwendeten Metalllegierungen. Mit CFK lassen sich aerodynamischerer Bauteile realisieren, deren innere Struktur besser an mechanische Belastungen angepasst ist. Diese Vorteile gehen aber mit einer größeren Anfälligkeit für Schäden durch Stöße einher. Die Hauptursache dieser Anfälligkeit liegt in der geschichteten und heterogenen Struktur der CFK-Paneele. Die Charakterisierung von Stoßschäden in Kompositmaterialien stellt daher eine der größten Herausforderungen für die Luft- und Raumfahrtindustrie dar. Insbesondere, da Stöße mit geringer Geschwindigkeit zu signifikanten Schäden innerhalb der Bauteile führen können—von außen aber nur schwer zu erkennen sind.

Mittels Computertomographie (CT) ist es möglich, zerstörungsfrei ein dreidimensionales Bild des Bauteilinneren zu erstellen. Somit machen computertomographische Aufnahmen die Beurteilung innerer Schäden möglich. Aufgrund der komplex deformierten Struktur der Verbundpaneele nach dem Zusammenstoß ist es schwierig, deren Aufnahmen auszuwerten. Dieses Paper stellt eine neue Methode zur Verarbeitung der CT-Daten vor, die eine vollständige Beschreibung der dreidimensionalen Morphologie des inneren Schadensbildes ermöglicht. Basierend auf dem Ansatz der Abstandstransformation kann die Schädigung jeder einzelnen Faserschicht des Bauteils untersucht und daraus ein vollständiges dreidimensionales Schadensbild rekonstruiert werden. Dieser neue Weg stellt eine signifikante Erweiterung unserer Möglichkeiten zur Charakterisierung von Stoßschäden in Kompositmaterialien sowie der Auswertung von CT-Daten dar.

Indem wir besser verstehen, wie die Energieabsorption der Stöße durch die Fasern Schäden in Kompositmaterialien entstehen lässt, ermöglichen wir einerseits die Entwicklung neuer Verbundwerkstoffpaneele, die sich durch eine stärkere Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen auszeichnen und validieren numerische Modelle zur Simulation stoßinduzierter Schädigungen. Somit tragen wir zur Sicherheit der aktuellen Flugzeuggeneration bei und ermöglichen die Entwicklung der nächsten Generation der Kompositmaterialien, um zukünftige Flugzeuge noch sicherer zu machen.

The quantification of impact damage distribution in composite laminates by analysis of X-ray computed tomograms
Fabien Léonard, J. Stein, C. Soutis, P.J. Withers
Composites Science and Technology, Volume 152, 10 November 2017, Pages 139-148
BAM Abteilung Zerstörungsfreie Prüfung, Fachbereich Mikro-Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)