Einfluss rechteckiger z-Pins auf die mechanischen Eigenschaften translaminar verstärkter Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffaserverstärkung

gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Projektlaufzeit: 02/2012 - 09/2015 

Ausgangssituation:

Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) neigen aufgrund ihres schichtweisen Aufbaus zu einer starken Anfälligkeit für Delaminationen. Vor allem stoß- oder impactartige Belastungen führen aufgrund der geringen Schlagzähigkeit sowie der geringen Schadenstoleranz häufig zu Einschränkungen in Bezug auf die Resttragfähigkeit. Zur translaminaren Verstärkung dienen heute häufig sogenannte z-Pins, welche mittels Ultraschall noch vor der Aushärtung des Bauteils in die Struktur eingebracht werden. Zahlreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass das z-Pinning eine sehr effektive Methode darstellt, impactgefährdete Strukturen gezielt zu verstärken.

Die Topologie von z-Pins als Einflussfaktor auf die mechanischen Eigenschaften wurde jedoch bis zum Projektbeginn noch nicht untersucht. Beim Einsatz von kreisrunden Pins im Laminat wird der Verbund mikromechanisch bei kleinster Kontaktfläche maximal gestört. Im Umkehrschluss können nicht kreisrunde Pins bei gleichbleibender Pin-Querschnittsfläche eine geringere Störung bei gleihzeitig größerer Kontaktfläche ermöglichen. 

Zielsetzung:

Um eine allgemeine Aussage über die Leistungsfähigkeit rechteckiger z-Pins gegenüber konventionellen treffen zu können, wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurde der Einfluss der Pingeometrie auf die Zugfestigkeit, den Elastizitätsmodul in der Laminatebene, die Risszähigkeit sowie die Schadenstoleranz untersucht und die Ergebnisse für kreisrunde und rechteckige Pins gegenübergestellt.


Verbesserung der mechanischen Eigenschaften z-Pins-verstärkter Faser-Kunststoff-Verbundlaminate

Ausgangssituation:

Zur Steigerung der Delaminationsfestigkeit, der Impacteigenschaften, sowie den Verbindungsfestigkeiten von Faser-Kunststoff-Verbunden werden häufig sogenannte z-Pins eingesetzt. Die Verbesserung der Laminateigenschaften ist dabei auf durch die Pins hervorgerufene Brückeneffekte zurückzuführen. Diese werden maßgeblich durch die Haftungseigenschaften der z-Pins zum Laminat sowie den Reibeigenschaften in deren Grenzfläche beeinflusst. Die Eigenschaften des verpinnten Laminats sind demnach im Wesentlichen von den vorliegenden z-Pin/Laminat-Grenzflächeneigenschaften abhängig. Die Beeinflussung der Haftungseigenschaften zwischen Pin und Laminat und die sich daraus ergebenden Eigenschaftsveränderungen einer translaminar verstärkten FKV-Struktur stellen daher einen wichtigen Forschungsansatz in Bezug auf eine stärkere Marktdurchdringung der z-Pin-Technologie dar.

 Zielsetzung:

Ziel der Untersuchungen war die gezielte Beeinflussung der Faseroberfläche und damit die Verbesserung der Laminateigenschaften. Zur Erhöhung der Benetzbarkeit sowie zur Erhöhung der effektiven Faseroberfläche werden unter anderem Tieftemperatur -sowie Plasmabehandlungen angewendet. Diese Verfahren zur Oberflächenbehandlung wurden in den durchgeführten Untersuchungen auf die Anwendung bei z-Pins übertragen und der Einfluss der Oberflächeneigenschaften auf die Pullout-, Rissöffnungs und Biegeeigenschaften ermittelt.


Einfluss von z-Pins auf die Verbindungsfestigkeiten von mehrkomponentigen Laminatstrukturen

In eigenen Untersuchungen wurde der Einfluss von z-Pins auf die Verbindungsfestigkeiten von mehrkomponentigen Laminatstrukturen ermittelt. Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsprojektes EMIR in Kooperation mit AIRBUS und dem Fraunhofer IFAM in Bremen bereits früh auf den Bereich der Verklebung von Laminatstrukturen übertragen und die Erhöhung der Klebfestigkeiten durch das z-Pinning untersucht.


3D-Verstärkung von CFK-Contourpropellern

Im Rahmen eines vom BMWi-geförderten Verbundforschungsprojektes wurde, zusammen mit der Firma Voith und dem Fraunhofer Anwendungszentrum für Großstrukturen in der Fertigung, der Einsatz der z-Pin-Technologie bei CFK-Propellerblättern bis zu einem Durchmesser von 6 m untersucht. Hohe Umfangsgeschwindigkeiten der Propellerblätter führen zu einem hohen Risiko durch Schlagschädigungen an der Propellerkante, z.B. durch Treibgut.


Entwicklung von Hausbooten aus modularen, industriell hergestellten Dämm-Elementen mit Oberflächen aus faserverstärkten Kunststoffen einschließlich des Schwimmkörpers

Gefördert durch ZIM des BMWi

Projektlaufzeit: 03/2010 - 10/2011

Ausgangssituation:

 Als Hausboote oder Wohnboote werden im allgemeinen fest verankerte Schiffe oder Boote bezeichnet, die für eine ganzjährige Nutzung als Wohnraum ausgelegt sind. In den Niederlanden, in nordischen oder asiatischen Ländern, d.h. in Gebieten mit großen Wasserflächen oder in Ballungsräumen mit hohen Immobilienkosten sind Wohn- oder Hausboote längst eine Selbstverständlichkeit.

Laut Schätzungen gibt es in den Niederlanden etwa 10.000 Hausboote im Land. Das Wohnen auf dem Wasser kommt auch in Deutschland in Mode, wenn es auch derzeit nur vereinzelte Wohnboote z.B. in Hamburg, Berlin oder Frankfurt am Main gibt (mehrere hundert – die Städte rechnen mit einer Verdopplung in den nächsten fünf Jahren). Gerade durch neu entstehende Seenlandschaften ehemaliger Braunkohlereviere bei Leipzig und in der Lausitz werden derzeit attraktive Möglichkeiten zum Leben in vollwertigen schwimmenden Häusern gegeben. Darüber hinaus hat sich das Image von Hausbooten von der schwimmenden Bleibe mit Urlaubs- oder  Aussteigerromantik zu modernen schwimmenden Häusern mit teils aufwendiger Architektur gewandelt.

 Handelte es sich bei Wohnbooten in der Vergangenheit oftmals um außer Betrieb genommene Binnenschiffe mit entsprechenden Um- und Ausbauten, so stellen moderne Wohnboote heute z.T. besonders designorientierte, schwimmende Häuser aus Stahl und Glas dar, deren Bauweise vorwiegend für die Wohnfunktion konzipiert werden. Hierbei ist der Rumpf nicht stromlinienförmig und aufgrund der längeren Haltbarkeit in der Regel aus Beton. Zudem verfügen solche Wohnboote zumeist über keinen eigenen Antrieb. 

Beispielhaft ist in Abb. 2 das Wohnboot der Fa. steeltec 37 aus Berlin wiedergegeben. Zielgruppen der Fa. steeltec 37 sind neben Wassersportfans die wachsende Zahl von Kreativen und Freiberuflern, die Wohnen, Leben, Arbeiten und Erholen direkt verbinden wollen. Mit bis zu 180 m²-Wohnfläche auf zwei Etagen liegen diese Wohnboote bei Kaufpreisen ab 350.000 EUR.

Zielsetzung:

 Die Entwicklung, Auslegung und Konstruktion eines kostengünstigen Hausbootes aus modularen , industriell hergestellten, selbsttragenden FVK-Dämmelementen, wobei sowohl der Schwimmkörper (Ponton)  als auch die Aufbauten aus FVK-Dämmelementen (FVK-DE) bestehen.

 Die Herstellung eines Hausboot-Prototyen aus FVK-DE ist als finales Projektziel zur Demonstration der Projektergebnisse geplant. Marktrecherchen haben ergeben, dass kein Hausbootbauer bisher auf FVK-DE zurückgreift. Insbesondere die Verwendung von Sandwichelementen als unsinkbare Schwimmkörper ist innovativ, da bei bisheriger teurer Unikatbauweise Schwimmkörper im Handverfahren hergestellt werden. Die Verwendung von industriell in Serie gefertigten Bauteilen ermöglicht die Herstellung von kostengünstigen Hausbooten für einen breiten Kundenkreis.

 Aufgrund des modularen Aufbaus sollen sich unterschiedliche Hausbootgrößen von einem Wochenend-Wohnboot bis zum geräumigen, ganzjährig nutzbaren Wohnraum einfach fertigen lassen. Modularer Aufbau und der Einsatz von FVK-DE werden die Herstellungskosten gering halten. Da mit bisher verfügbaren Vorfertigungsmaterialien und konstruktiven Verbindungen keine nachweislich gebrauchsfähige Konstruktion von Hausbooten und Schwimmkörpern möglich ist, wurde dieses Forschungsprojekt durch die Firma ECP mit den Projektpartnern der Zulieferindustrie sowie wissenschaftlicher Unterstützung in Technik und Gestaltung initialisiert.