Abschlussworkshop CFK-Rumpf NG Ergebnisse der ... · Leitprojekt CFK Rumpf NG 18 Untersuchung/Methodik Definition einer Versuchsmatrix unter Verwendung von mehr als 15 sinnvoll erscheinender

Leitprojekt CFK Rumpf NG

15.02.2011 von 09:00 Uhr – 17:00 Uhr Rilano Hotel Hamburg

Abschlussworkshop CFK-Rumpf NG Ergebnisse der Matrixoptimierung auf Impact und Brandlast mit Prozessbeschleunigung Peter Wierach, Thorsten Mahrholz, Rüdiger Keck, Alexandra Kühn, Jürgen Mosch

Leitprojekt CFK Rumpf NG 2

Gliederung

Impactverbesserung von CFK-Laminaten durch Einsatz von Nanopartikeln

Invulnerable Structures

Flammschutz und Brandtests

Schnelle Harze


Gliederung




Schnelle Harze


Einleitung

Problemstellung:CFK-Laminate zeigen geringe Schadenstoleranz gegenüber „low velocity-Impacts“. Bisher werden Faserhalbzeuge und Matrices überwiegend mit Thermoplasttoughnern modifiziert, um die Impactresistenz zu verbessern.

Nachteil: mechanische Einbußen

Ziel: Verbesserung der Impacttoleranz von CFK ohne Einbußen bei Festigkeit und Steifigkeit. Hierfür werden Nanopartikel als Harzmodifikatoren untersucht. Es soll eine günstige Kombination für hohe Festigkeit, Steifigkeit und Impacttoleranz identifiziert werden.


Untersuchung/Methodik (1)1. Nanocomposite

Harzmodifizierung Epoxidharz: LY556/HY917/DY070; Tg 130°C Nanopartikel:

Silikon-Partikel (zähe Partikel)

Kautschukpartikel (zähe Partikel)

Siliziumdioxid (steife Partikel)

Böhmite (steife Partikel)

Prüfplattenherstellung

Charakterisierung der Nanocomposite

DSC

Rheologie

Zug- und Biegeversuch

Rißzähigkeit (K1c/G1c)

REM

REM: EP-Harz mit 25% SiO2

K1c/G1c Prüfstand


Untersuchung/Methodik (2)

2. CFK-Verbundplatten:

Fertigung: DP-RTM

UD-Gelege ECC Style 797-1 (HTA-Faser; unbebindert)

16-lagiger, quasiisotroper Aufbau

FVG: ca. 60 %

Charakterisierung

CAI-PrüfungLow velocity Impact mit 20-40 JPrüfung nach AITM 1.0010

Ultraschall-Prüfung

Fallbolzenanlage

Druckversuch


CAI-Ergebnisse – Restdruckfestigkeit vs. Impactenergie

Zähe Nanopartikel (Kautschuk; Silikon) verbessern wesentlich die Restdruckfestig- keiten im Verbund (max. +28 %).

Auch steife SiO2 - Nanopartikel führen noch zu einer Verbesserung.

+28%

+18%

140

160

180

200

220

240

260

20 30 40

Impact Energie [J]

Res

tfest

igke

it [M

Pa]

Referenz25% SiO210% Silikon10% Kautschuk


CAI-Ergebnisse – Restdruckfestigkeit vs. E-Modul (Harz)

Je größer die Matrixsteifigkeit desto geringer sind die Restdruckfestigkeiten des Verbundes.

Zähe Nanopartikel (Kautschuk; Silikon) erhöhen die Restdruckfestigkeiten, reduzieren jedoch die Steifigkeit der Matrix.

100

120

140

160

180

200

220

240

260

2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Et Harz [MPa]

Res

tfest

igke

it [M

Pa]

Referenz25 % SiO210% Silikon10% Kautschuk20 J

30 J

40 J


CAI-Ergebnisse – Schadensfläche vs. Impactenergie

Zähe Nanopartikel (Kautschuk; Silikon) reduzieren in Abhängigkeit der Impactenergie die Schadensfläche um bis zu 51%.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

20 30 40

Impact Energie [J]

Scha

dens

fläch

e [c

m2 ]

Referenz25% SiO210% Silikon10% Kautschuk

-31%

-51%


US-Ergebnisse (C-scan)

Referenz 10% Kautschuk

20 J

30 J

Schadensfläche um 51 % reduziert.

Schadensfläche um 33 % reduziert.


120

140

160

180

200

220

240

10 20 30 40 50

Impactenergie [J]

Res

tdru

ckfe

stig

keit

[MP

a]

Referenz

7,5 Gew. % HP14 T

15 Gew. % HP14 T

CAI-Ergebnisse für Böhmit-Nanopartikel – Restdruckfestigkeit vs. Impactenergie


Mechanische Gesamtperformance für Böhmit modifizierte Laminate

0

5

10

15

20

25

30ILS Scherfestigkeit

G1C (interlam. Energiefreis.)

+/-45° Schubfestigkeit

+/-45° Schubmodul

4 Pkt-Biegefestigkeit

Druckfestigkeit (RT)

Druckfestigkeit (Hot Wet)

Feuchteaufnahme (Hot Wet)


ZusammenfassungZähe Nanopartikel (Kautschuk; Silikon) steigern deutlich die CAI-Kennwerte;

Matrixsteifigkeit wird aber reduziert.

Steife Nanopartikel (Siliziumdioxid, Böhmite) erlauben auch noch eine Steigerung der CAI-Kennwerte;

Matrixsteifigkeit wird gleichzeitig erhöht.

Die Optimierung der CAI-Werte durch Nanopartikel erfordert einen Kompromiss bei der Einstellung der zähen und steifen Matrixeigenschaften.

Die CAI Ergebnisse veranschaulichen, dass die Verbesserungen in den Reinharzkennwerten auf den CFK-Verbund gut übertragbar sind (hier für UD- Gelege ECC-Style 797 nachgewiesen).


Ausblick

Weiterer Forschungsbedarf:Weitere mechanische Tests erforderlich, um die mechanische Gesamtperformance der Laminate beurteilen zu können (CAI ist nur ein Kennwert)

Abklärung des Einflusses von Faserhalbzeugen auf CAI

Tiefergehendes Verständnis der Wirkmechanismen


ForschungsteamExperte für WerkstoffeDr. Thorsten MahrholzTel.: 0531/[email protected]

Experte für NanocompositesChristine ArltTel.: 0531/[email protected]

mailto:[email protected]



Gliederung




Schnelle Harze


Schadenstolerante Hybridlaminate

Motivation für die Arbeiten war die Erhöhung der Energieaufnahme von (spröden) FVK-Werkstoffen durch gezielte Beeinflussung der Duktilität im Falle dynamischer Impact-Belastungen

Ziel war die Kombination konventioneller FVKs mit bekannten oder neuartigen Schichtwerkstoffen zu zwei- oder mehrschichtigen Hybridlaminaten

Die Entwicklung stand im Kontext mit der Suche nach neuartigen, „weichen“ Schutzstrukturen für Vogelschlag gefährdete Flugzeugbauteile mit möglichst geringem Kraftpuls beim Impact


Untersuchung/Methodik

Definition einer Versuchsmatrix unter Verwendung von mehr als 15 sinnvoll erscheinender MaterialkombinationenFertigung von insgesamt über 100 PrüflaminatenDurchführung von reproduzierbaren Beschussversuchen mit einem Hartimpaktor (Stahlkugel 30mm)Auswertung der Ergebnisse

Durchführung von Brand- und Schallabsorptionsprüfungen (Grafik) mit den günstigsten Materialkombinationen 0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

10 100 1000 10000

Frequenz in Hz

Scha

lldäm

mm

aß1 - CF-PEEK2 - CF-9773 - CF-Araldite4 - CF-Arald. + Kautschuk außen5 - CF-Arald. + Kautschuk innen6 - Aluminium7 - GFK-Sandwich 5mm8 - GFK-Sandwich 10mm

Scha

lldäm

mm

aß

Frequenz [Hz]


Ergebnisse

Eine Steigerung der gewichtsspezifischen Impacttoleranzen von bis zu 103% konnte realisiert werden

Sämtliche der gesteckten Projektziele konnten erreicht werden

Die gewonnenen Ergebnisse führten zu insgesamt 3 Patentanmeldungen

Aus den gewonnenen Ergebnissen heraus wurde für das DLR- Forschungsflugzeug HALO eine neuartige Bauweise für die Vogelschlag-gefährdete Bugsektion des Unterrumpf Transportbehälters (Bellypod) entwickelt, als Flughardware gebaut und 2010 vom LBA zur Flugerprobung freigegeben

Steigerung der Impacttoleranz bezogen auf das jeweilige Referenzmaterial

103

4138

34

0 0 -2-7

0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

KTe-a GTe-b GTe-b, Tegrisvorne

KPVB Ref-G Ref-K KKaV-a KKa-a KV-a

Material

spez

ifisc

he E

nerg

ie [J

/kg]

-20

0

20

40

60

80

100

120

Ste

iger

ung

in %

Energie / Masse [J/kg] % Gewinn gegenüber Referenz


Materialklassen-übergreifende Fügung

Motivation für die Arbeiten war die Entwicklung von Herstellungs- oder Fügeverfahren zur Verbindung thermoplastischer und duromerer Bauteile

Ziel war die Integration thermoplastischer Verstärkungsstrukturen aus CF-PEEK (z.B. Stringer) in konventionelle RTM6- Infusionsbauteile

Die Entwicklung stand im Kontext mit einem möglichen Ansatz zur automatisierbaren Herstellung von stringerversteiften, einfach gekrümmten Paneelen in einem One-Step Fertigungsprozess



Untersuchung automatisierbarer Oberflächen- Vorbehandlungsverfahren (z.B. Fluorierung, LASER)Vergleich und Bewertung dieser Verfahren mit konventionellen Methoden (Abreißgewebe, Sandstrahlen, Schleifen)Modifikation VARI-Infiltrationsprozess zur In-Situ Fügung von CF-PEEK Stringern auf RTM 6 - MAG LaminatenHerstellung von Testlaminaten zur Verifikation des Fertigungsprozesses


Ergebnisse

Durch den Einsatz von LASER-Technologien kann die Schubfestigkeit einer duromer-thermoplastischen Fügung (PEEK – RTM 6) im Vergleich zu konventionellen Oberflächenvorbehandlungen deutlich gesteigert werden

Diese Technologien ermöglichen eine gezielte, aber gleichzeitig auch großserientechnisch automatisierbare Vorbehandlung der Oberflächen

Sämtliche der gesteckten Projektziele konnten damit erreicht werden

Die Ausweitung der Transmission-Loss Versuche auf doppelwandige Testmuster unter Berücksichtigung materialklassen-übergreifender Fügeverfahren sind für das Folgeprojekt Funktions-integrierter CfK- Rumpf geplant


ForschungsteamExperte für FertigungsverfahrenRüdiger KeckTel.: 0711/[email protected]

Experte für HybridlaminateMatthias HornTel.: 0711/[email protected]

Experte für OberflächenaktivierungAndreas BuchheimTel.: 0711/[email protected]





Gliederung




Schnelle Harze


Einleitung

ProblemstellungZunehmender Einsatz von FVK/CFK in der zivilen Luftfahrt FVK sind besonders anfällig im BrandfallIm Brandfall treten neben giftigen Verbrennungsgasen auch Einbußen in mechanischen Kennwerten aufGefährdung der Passagiere durch erhöhte Rauchgasentwicklung und Strukturversagen

ZielFlammschutzmittel und standardisierte Brandtests sind für den zukünftigen Einsatz in brandgefährdeten FVK Strukturen nötigReduktion der Brandgefährdung der Strukturen durch optimiertes Design Kombination der Ergebnisse aus den Projekten CFK Rumpf NG, Virtuelles Institut, NGT und Kooperation mit der Firma SASOL



Auswahl und Optimierung von Flammschutzmitteln gezielt für FaserverbundwerkstoffePotentiale:

Integrierter Brandschutz bei der Herstellung von FVK in der InjektionstechnologieVerstärkung der strukturellen Integrität im Brandfall

Geeignete Partikelsysteme auf Basis der Nanotechnologie und deren Einwirkung auf den Brandprozess:

Carbon Nanotubes (CNT)Wärmeleitung

Aluminiumtrihydroxid (ATH)/ Magnesium-dihydroxid (MDH)

Kühlung/Verdünnung der GaseOrgano-Clays

Ausbildung einer festen Schutz-schicht (Intumeszenz)

thermisches Feedback

Wärme

Sauerstoff Wärme

Verbrennungs-produkte

Rauch

thermisches Feedback

Wärme

Sauerstoff Wärme

Verbrennungs-produkte

Rauch



Fragestellung: Inwiefern beeinflusst das Partikeldesign im Verbundwerkstoff die Flammschutzeigenschaften? Variation der Parameter

PartikelkonzentrationPartikelgröße

spezifische OberflächeDispersionsqualität

FlammschutzmechanismusPartikelgeometrie

Berücksichtigung der Verarbeitungs- und BauteilanforderungenViskosität (Injektionsfähigkeit)Bauteilgewichtmechanische Kennwerte des Bauteils in der Anwendung



Einarbeiten der Flammschutzpartikel in Epoxid- harze für Injektion oder Resin Film Infusion (RFI) bei hochviskosen Systemen

spätere Verarbeitung zu Prepreg möglich

Harz mit 56,01% ATH-Nanopartikeln (40% nach Zugabe von Härter und Beschleuniger)

Harz mit 9,13% ATH-Nanopartikeln (5% nach Zugabe von Härter und Beschleuniger)

Dissolver und Rührwerkskugelmühle oder kombinierte Geräte

Kalander (Dreiwalze)



Injektion von Nanopartikel-modifiziertem Epoxidharz (Machbarkeitsnachweis)

Viskositätsverlauf des modifizierten Harzes (10% ATH)Injektionsaufbau

Integralstringer Angusslinie


Tests und Ergebnisse

Brandtests von kleinster Materialebene über Standardtests bis zur Entwicklung neuer Testkonfigurationen

MaterialscreeningAbbildung möglicher Zertifizierungsszenarien

Thermogravimetrische Analyse mit Single Differenz-Thermoanalyse Masseverlust: Wie viel polymere Matrix wird während des Brandprozesses umgesetztMessung der Wärmeentwicklung auf Werk-stoffebene möglich


Ergebnisse erster Nanopartikelgenerationen (TGA) Kühlung und Verdünnung als Wirkmechanismen ver-schiedener ATH (Bezeich-nung hier 1 und 2),Schutzschichtbildung als Wirkmechanismus von Organoclays (N9)

Tendenzielle Verminderung der Enthalpie mit steigender Partikelkonzentration

Verminderung der Enthalpie um bis zu 38%bei einer Zugabe von nur20% ATH Nanopartikelim CFK

Harz-Partikel-Proben

Verbundprobenmit erfolgreichstemPartikelsystem


0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50

Partikelkonzentration [%]

Redu

ktio

n En

thal

pie

[%]

Ergebnisse neuerer ATH-Nanopartikelgeneration im Nanocomposite (Harz-Partikel-Proben in TGA-Messung)

durch Reduktion der brennbaren Masseund Partikelkühlwirkung erwarteter Verlaufhinsichtlich der reinen Materialmenge unabhängig von der Partikelbeschaffenheit

experimentell ermittelter Verlauffür neue ATH Nanopartikel

Optimierung durch integrierten Flamm-schutz mit Nanopartikeln


Vertikaler Bunsenbrennertest zur Ermittlung der Entflammbarkeit

Verkürzung der Brandlänge mit steigender Partikelkonzentration

bei der 20 % ATH1-Probe um 15 %

Tendenz spiegelt die Ergebnisse derTGA-Messungen wider


OSU-Kalorimeter-Messungen zur Ermittlung der Heat-Release-Rate

Verbundprobe unmodifiziertVerbundprobe mit ATH

Heat-Release-Rate:


Durchbrandversuche im selbst entworfenen Schubrahmendurch- brandversuchsstand

0:00

0:56 0:58 1:12 1:26 3:02

Schubrahmen

Krafteinleitung

Gewicht

Brenner

Versagen der strukturellen Integrität:

CFK-PlatteFokus auf Inflight-Fire

Brandlast: Gasbrenner (55KW/m² bis 15 Min)

Lasteinleitung derzeit maximal mit 5kN


Zusammenfassung

Einarbeitung der Flammschutznanopartikel in Epoxidharze in hohen Konzentrationen und für hochviskose Systeme möglich

integrierter Flammschutz

Erfolgreiche Injektion bei der Herstellung von Prüfplatten und komplexeren Bauteilen

Verbesserung der Flammschutzeigenschaften von CFK in Standard- und selbst entworfenen Testkonfigurationen sowie auf kleinster Materialebene

Optimierung von ATH-Nanopartikeln hinsichtlich der Flammschutzeigenschaften in Zusammenarbeit mit der Firma Sasol

Erarbeitung einer neuen Schubrahmendurchbrandversuchseinrichtung mit Luftkühlung zur Abbildung von Inflight-Fire Szenarien


Ausblick

Untersuchung weiterer Stellmechanismen zur Optimierung der Flammschutzeigen-schaften von additiven Flammschutzpartikeln durch das Partikeldesign:

Gezielte Variation der PartikelgrößenVariation und geschickte Kombination der PartikelwirkmechanismenEinstellen eines Optimums der Partikelkonzentration hinsichtlich der Flammschutzwirkung und mechanischen Eigenschaften und Verarbeitbarkeit

Brandsimulation zur Optimierung des Strukturdesigns hinsichtlich der Brandeigenschaften wünschenswert

TGA als Flammschutztest auf Werkstoffebene für das gezielte Partikeldesign nutzen und damit Brandszenarien auf Bauteilebene abbilden

Erzeugung thermischer Materialkenndaten für eine Brandsimulation

Nachweis des Beitrages der Flammschutznanopartikel zur strukturellen Integrität im Brandfall muss erfolgen


Forschungsteam

Experte für Flammschutz-NanopartikelAlexandra KühnTel.:(04141) 670 - [email protected]

Experte für BrandtestsBernd MüllerTel.:(02203) 601 - [email protected]

Experte für BrandtestsMichael [email protected]

Gruppenfoto, Portraits oder schönes Bild zur Forschungsarbeit





Gliederung




Schnelle Harze


Einleitung

Problemstellung:Für die Produktion großer Stückzahlen bei reduzierten Kosten sind schnelle Prozesse erforderlich Hochreaktive Harzsysteme sind bei hohen Temperaturen nur schwer zu verarbeiten (Injektionsstart = Polymerisationsstart)

Ziel:Schneller RTM Prozess mit „isothermen“ Werkszeug Untersuchung der Messmethodik und EntformungsstabibiltätUntersuchung der Auswirkungen auf das Reinharz und den Faserverbund- werkstoff



Herstellen von Reinharz- und FVW-Proben nach gleichem Schema

Verguss des Harzsystem in heiße FormAnschließend heiß entformt und Abkühlung auf RT (worst case)Nachtempern nach jeweiligen TDSAnfertigen von Referenzplatten nach Standardzyklus

PrüfverfahrenRheologie (Viskosität, Viskoser und Elastischer Modul)DSC (Reaktionsverlauf, Enthalpie und Tg)Statische Prüfung (Zug- und Zugschubprüfung, Schlagzähigkeit nach Charpy

Gießformen

OszillationSpaltnach-führung

Rheometer


Ergebnisse

RheometeruntersuchungenHexcel RTM 6 isotherm 200°C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Zeit [Min]

Mod

ule

[Gpa

]

-10

010

20

30

40

50

60

7080

90

100

Phas

enw

inke

l [°]

Viskoser ModulElastischer ModulPhasenwinkel

Gelierpunkt


Ergebnisse

Messung mittels DSC

Umsatz isotherm:RTM 6 bei 200°C = 91%

Nachvernetzung:RTM 6 = 9%

kühlen auf RT


0

20

40

60

80

100

120

RTM6 Referenz RTM6 schnellerProzess

Zugf

estig

keit

[MPa

]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Zug

E-M

odul

[MPa

]

Zugfestigkeit Zug E-Modul

0

20

40

60

80

100

120

RTM6 Referenz RTM6 schnellerProzess

Schu

bfes

tigke

it [M

Pa]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Schu

bmod

ul [M

Pa]

Schubfestigkeit Schubmodul

Ergebnisse

Mechanische Kennwerte

Reinharz Faserverbund


Zusammenfassung

Kombination von Rheometer und DSC zeigt gute ÜbereinstimmungenDie Ergebnisse der Reinharzuntersuchungen zeigen keinen signifikanten Einbruch der Festigkeitsperformance bei isothermer FertigungDurch eine weitere Optimierung des Temperaturmanagements sind weitere Verbesserungen zu erwartenSehr geringe Streuung der ErgebnisseKonzept der isothermen Fertigung sehr vielversprechend


Ausblickweitere Untersuchungen zur Optimierung der Fertigungsmethode

Detaillierte Untersuchung des Gelierbereichs mittels Rheologie kombiniert mit DSCErhöhte Härtungstemperaturen, verkürzte FertigungszeitGesamtes Temperaturmanagement

Potential Temperzyklus Potential geometrisches Richten des Bauteil; Verringerung der Ausschussproduktion

Zusammenarbeit mit Industriepartnern auf Bauteilebene angestrebt


ForschungsteamExperte für WerkstoffeJürgen MoschTel.: 0531/[email protected]

Expertin für WerkstoffeWibke ExnerTel.: 0531/[email protected]



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