Entwicklung und Validierung einer neuen Methode zur Charakterisierung des Scherverhaltens von Carbonfasergewebe mit Binderauftrag unter Normalkraft und viskoser Reibung bei hohen Prozesstemperaturen
Creators: name: Graf, Matthias
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Gewebe
Materialcharakterisierung
Scherverhalten
Normalkraft
Binder
Carbonfaser

description: Die Formgebung von Carbonfasergewebe in komplexe dreidimensionale Bauteilgeometrien erfordert eine Drapierung des zweidimensionalen Zuschnitts. Aufgrund der hohen Steifigkeit und der vernachlässigbar kleinen Bruchdehnung erfolgt die Formgebung hauptsächlich über den Mechanismus der Scherdeformation. Eine Vorhersage der Formbarkeit, Faltenbildung und des Faserverlaufs kann über die Durchführung einer Drapiersimulation erreicht werden. Zur Erzielung einer realitätsnahen Übereinstimmung sind die Materialkennwerte des Gewebes erforderlich. Einer der wichtigsten Kennwerte ist das charakteristische Scherverhalten über den Verlauf des Scherwinkels. Nach dem Stand der Forschung wird diese Kenngröße beispielsweise über einen Picture Frame Test, unidirektionalen Bias Extension Test oder unter Berücksichtigung der Zugspannungsversteifung, einen Biaxialer Bias Extension Test ermittelt. Bei nahezu allen Drapiermethoden entstehen bei der Formgebung Zugkräfte in Faserrichtung sowie Normalkräfte, die senkrecht auf das Gewebe wirken. Die Scherversteifung durch die Zugkräfte wurde in zahlreichen Arbeiten erforscht und beruht indirekt auf Normalkräfte, die durch die Ondulation der Faserbündel an den Kreuzungspunkten des Gewebes entstehen. Der Einfluss der direkt auf das Gewebe einwirkenden Normalkräfte auf das Scherverhalten wurde bisher nur wenig erforscht. 
In der Arbeit wird zunächst eine neue Prüfeinrichtung entwickelt, mit der die Scherkennlinie unter Normaldruck und bei verschiedenen Temperaturen zur Prüfung von einseitig mit Binder versehenem Gewebe ermittelt werden kann. Die Prüfeinrichtung wird auf der Basis der gängigen Prüfmethode des unidirektionalen Bias Extension Tests und des Picture Frame Tests aufgebaut und anhand eines Carbonfaser-Leinwandgewebes auf seine Eignung getestet. Es zeigt sich hierbei, dass der modifizierte Picture Frame Test die zuverlässigere Methode zur Messung des Scherverhaltens unter Normalkraft und Temperaturen im Schmelzbereich des Binders ist.
Unter Normalkraft entstehen reibungsbehaftete Relativbewegungen zwischen dem Gewebe und den Druckplatten, an den Kreuzungspunkten innerhalb des Gewebes (intralaminiar) und zwischen benachbarten Lagen eines Mehrschichtstapels (interlaminar). Die Reibkräfte werden in umfangreichen Messreihen unter Variation der Normalkraft, der Reibgeschwindigkeit, der Temperatur, mit und ohne Binderauftrag und die Art der Schichtung des Mehrschichtstapels untersucht. Auf Basis der Ergebnisse der Reibwertuntersuchung wird eine Berechnungsgleichung aufgestellt, mit der die viskos-elastische Reibung in Abhängigkeit von der Viskosität, dem Normaldruck und der Reibgeschwindigkeit ermittelt werden kann. Anhand von Mikrographieaufnahmen wird das Tragbildung an den Kreuzungspunkten des Gewebes aufzeigt und lässt Rückschlüsse auf das viskos-elastische Verhalten des Binders bei der Scherung zu.    
Mit der entwickelten Prüfeinrichtung auf Basis des Picture Frame Tests unter Normaldruck und Temperatur werden mit einem Leinwandgewebe mit T700SC 12K 50C Fasern und einseitig aufgetragenem Reaktivbindersystem des Herstellers Toray unter Variation des Normaldrucks, der Temperatur, mit und ohne Binder und Art der Stapelbildung zahlreiche Messreihen durchgeführt. Hierbei bestätigt sich der signifikante Einfluss der Normalkraft auf die Scherkennlinie des verwendeten Gewebes.
Die Verifizierung der Ergebnisse erfolgt über die Durchführung von Simulationen der Schercharakterisierung der wesentlichen Messreihen. Um eine Verifizierung erreichen zu können wird ein mathematischer Ansatz aufgestellt, der die Wirkzusammenhänge für die Reibung des Gewebes zu den Druckplatten, des intralaminaren Scherwiderstandes und des interlaminaren Scherwiderstandes beschreibt. Für alle Varianten wird somit ein durchgehend gleicher Rechenansatz gewählt, der auf physikalische Größen, wie Reibungskoeffizient, Normalkraft und Übersetzungsverhältnis (Proportionalitätskonstante) beruht. Die abstrahierten Scherkennlinien werden hierbei in drei charakteristische Bereiche eingeteilt, dem Anfangshaftreibungsbereich, dem Plateau Bereich und dem Scherversteigungsbereich. Die Untersuchung zeigt, dass die intralaminare Scherversteifung zu einem großen Teil durch die Querkompression der Faserbündel entsteht und stark von der Normalkraft abhängt. Hierbei zeigt sich auch, dass die Querkompression unter Normaldruck bereits vor dem Schließen der Lücken zwischen benachbarten Faserbündeln eintritt. Der Grenzwinkel (Locking Angle) ab dem die Scherversteifung einen progressiven Anstieg verzeichnet, setzt bei steigender Normalkraft bereits bei einem geringeren Scherwinkel ein. Dieses Phänomen wird auf den reduzierten Mikroporengehalt der Faserbündel durch den Normaldruck zurückgeführt.