Henrik Schmidt

• Durch das Vernähen trockener Faservorformlinge vor der Harzinjektion werden vielfältige Möglichkeiten eröffnet, um Faser-Kunststoff-Verbund-Strukturen gewichtsoptimiert und gleichzeitig kostengünstig herzustellen. Durch die im Vergleich zur Prepreg-Technik innovativere Prozesskette sind auch komplexe Geometrien, wie sie beispielsweise in Lasteinleitungsbereichen vorliegen, automatisiert fertigbar. Die Einbringung von strukturellen Vernähungen in Laminatdickenrichtung kann insbesondere in Strukturbereichen mit dreidimensionalen Spannungszuständen die Delaminationsgefahr durch eine Steigerung der interlaminaren Eigenschaften abmindern und die Schadenstoleranz steigern. Allerdings erfordert eine vermehrte Anwendung der Nähtechnik in der industriellen Praxis auch die Bereitstellung dreidimensionaler mechanischer Werkstoffkennwerte, die im Konstruktions- und Auslegungsprozess benötigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden kohlenstofffaserverstärkte Multiaxialgelege-Laminate, die im Flugzeugbau angewandt werden, strukturell vernäht und die durch den Nähprozess entstehenden Reinharzgebiete sowie die Veränderung des relativen Faservolumengehaltes erfasst. Bei der Bestimmung von intralaminaren Zug- und Druckkennwerten wurden die Auswirkungen der Vernähung auch auf die Kerbdruckeigenschaften untersucht. Zur Bestimmung von Elastizitäts- und Festigkeitskenngrößen bei einer Zugbelastung senkrecht zur Laminatebene wurde ein Versuchskonzept erarbeitet und die Potentiale der eingebrachten strukturellen Vernähung ermittelt. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der strukturellen Vernähung auf die interlaminaren Schubfestigkeiten charakterisiert. Auch der Einfluss des Nähprozesses auf die mechanischen Eigenschaften der verwendeten E-Glas-Garne wurde experimentell erfasst. Die Versuchsergebnisse zeigten Reduktionen der intralaminaren Kennwerte um bis zu 12 %, bei den Kerbdruckversuchen wurden teilweise Steigerungen des Kerbfaktors festgestellt, die bis zu 9 % betrugen. Der Zug-Elastizitätsmodul senkrecht zur Laminatebene wurde generell gesteigert, im Maximum um 8 %. Für die Zugfestigkeit wurden leichte Steigerungen um 4 %, aber auch Abnahmen um bis zu 12 % beobachtet. Bei der interlaminaren Schubfestigkeit waren durchgehend Steigerungen festzustellen, die maximal 11 % betrugen. Der Elastizitätsmodul und die Festigkeit des Nähgarns wurden infolge des Nähprozess um bis 22 % bzw. 42 % verringert. Der praxisgerechte Einsatz der strukturellen Nähtechnik erfordert neben fundierten Werkstoffkennwerten auch Simulationswerkzeuge, die die Auswirkungen der 3DVerstärkung abschätzen können. Somit könnte durch eine Vorauswahl geeigneter Nähmuster der Aufwand für eine kosten- und zeitintensive Materialcharakterisierung reduziert werden. Hierzu wurde auf ein parametrisch gesteuertes Finite-Elemente- Einheitszellenmodell zur Vorhersage von intralaminaren Elastizitäts- und –Festigkeitskenngrößen zurückgegriffen und dieses um die Vorhersage von Elastizitäts- und Zugfestigkeitskenngrößen senkrecht zur Laminatebene erweitert. Im Rahmen der Modellvalidierung und -kalibrierung wurden intensive Untersuchungen hinsichtlich geeigneter Randbedingungen und mikromechanischer Ansätze zur Beschreibung der unidirektionalen Einzelschicht des Laminats durchgeführt. Die mit dem weiterentwickelten Einheitszellenmodell abgeschätzten mechanischen Kennwerte zeigten gute Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen.
• By stitching of dry semi-finished fiber products prior to the infiltration process manifold possibilities for the production of weight-optimized and cost-effective fiber reinforced plastic structures are offered. Due to the more innovative process chain compared to the prepreg technology, the possibility of automated manufacturing of complex geometries necessary in load introduction areas is given. The insertion of structural stitchings perpendicular to the laminate plane in areas subjected to threedimensional stress states can reduce the risk of delaminations due to the enhancement of the interlaminar properties and increase the damage tolerance. However, the augmented application of structural stitching on the industrial scale requires the availibility of three-dimensional mechanical material properties, as they are essential during the design and analysis process. Within this thesis, non-crimp fabric carbon fiber/epoxy laminates were structurally stitched and resin pockets caused by stitching as well as the change of fiber volume fraction were measured. Intralaminar tension and compression properties as well as the influence of stitching on the notched compression properties were determined. For the determination of tensile stiffness and strength properties in laminate thickness direction a test concept was developed. Furthermore, the effect of the threedimensional reinforcement on the interlaminar shear strength was analyzed. As the stitching process affects the stitching yarn properties, the stiffness and strength values of the E-glass yarns were determined prior to and after the insertion into the fabric. The test results showed reductions of the intralaminar properties of the composite up to 12 %. Regarding the notched compression properties, a notch factor increase up to 9 % was observed. The tensile modulus in thickness direction was generally improved, at most by 8 %. For the tensile strength slight improvements by 4 % as well as significant reductions by 12 % were detected. The interlaminar strength was enhanced by up to 11 %. For the practical application of the structural stitching technology, simulation tools are needed in addition to established material properties. Thus, a cost reduction within the material characterization may be achieved. Therefore, an existing parametric finite element based unit cell approach, which was able to predict intralaminar stiffness and strength properties, was expanded. The enhanced model offers the estimation of threedimensional stiffness and tensile strength properties perpendicular to the laminate plane. Within the validation and calibration process of the model, intensive studies concerning appropriate boundary conditions and micromechanical models to describe properties of the unidirectional ply were carried out. The material data estimated by the enhanced unit cell model showed good correlations with the experimental results.