Thermogramme der Vorder- und Rückseite von 2,4 mm dickem CFK und 3,2 mm dickem GFK, aufgenommen 68 ms nach dem Impact. Die Impactenergie betrug 8 J.
Quelle: BAM, Fachbereich Thermografische Verfahren
Impactschäden in Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) werden durch Partikel und größere Objekte verursacht, die mit unterschiedlichen Energien und Impulsen auf die Struktur einwirken. Impacts mit niedriger Geschwindigkeit können nicht oder kaum sichtbare Schäden an der Oberfläche verursachen, während die Schäden im Inneren der Struktur viel größer sind. Dort entstehen Matrixrisse, Ablösungen von Faser und Matrix, Delaminationen und Faserrisse. Diese Schäden hängen von der Energie und Geschwindigkeit des Impacts, von Material, Faserorientierung und Struktur des FKV sowie von der Geometrie des Bauteils ab. Für sicherheitsrelevante Bauteile müssen diese Schäden daher mit zerstörungsfreien Prüfverfahren untersucht werden.
In der BAM haben wir die Temperatur an der Vorder- und Rückseite verschiedener CFK- und GFK-Strukturen während und kurz nach dem Impact mit einer Infrarotkamera mit einer hohen Bildwiederholrate von 800 Hz erfasst. Über die Messung des räumlichen Temperaturanstiegs während des Impacts aufgrund der in Wärme umgewandelten Energie wird das Ausmaß der Schädigung in Abhängigkeit von der Impactenergie ermittelt. In den Thermogrammen konnten die verschiedenen Schädigungsarten sehr gut unterschieden werden. Bei CFK und GFK wurden an den Vorder- und Rückseiten verschiedene Schädigungsarten beobachtet, siehe Abbildung 1. Während bei CFK auf der Rückseite (gegenüber dem Impact liegend) ein bis zwei längere Matrixrisse und größere Delaminationen mit Ablösung der unteren Lage auftraten, reagierten die GFK-Werkstoffe mit mehreren, aber kürzeren Matrixrissen und kleineren Delaminationen und Rissen in verschiedenen Tiefen. Die laterale Ausdehnung der Schädigung wurde aus der thermischen Signatur der Schäden berechnet. Dazu wurden die Pixel mit einer Temperatur oberhalb eines Schwellwertes addiert. Die Größe des erwärmten Bereichs nimmt mit zunehmender Impactenergie zu. Bei größeren Plattendicken führen vergleichbare Impactenergien zu kleineren Schäden. Zusätzlich haben wir die umgewandelte Wärmeenergie aus der mittleren Temperatur des erwärmten Bereichs abgeschätzt. Bei allen Materialien nahm nicht nur die absolute Wärme, sondern auch die relative Wärme im Verhältnis zur Impactenergie mit der Impactenergie zu (von 1% auf etwa 30%). Diese Untersuchungen zeigen, dass die Thermografie sehr gut geeignet ist, um die Schädigungsprozesse in-situ zu überwachen. Das Verfahren kann damit zur Entwicklung neuer Materialien mit höherer Schädigungstoleranz beitragen.
Application of thermographic testing for the characterization of impact damage during and after impact load
Christiane Maierhofer, Rainer Krankenhagen, Mathias Röllig
erschienen in Composites, Vol. 173, page 106899 et seq. 2019
BAM, Fachbereich Thermografische Verfahren