Grundlagenuntersuchungen an intrinsisch gefertigten lasttragenden FVK/Metall-Hybridträgern

Bei der Kombination von metallischen Werkstoffen und faserverstärkten Kunststoffen innerhalb eines Bauteils entstehen sogenannte Hybridstrukturen, in denen den einzelnen Komponenten definierte Funktionen zukommen. In der vorliegenden Arbeit wird die metallische Komponente zum einen zur Lasteinleitung in das Laminat eingesetzt und übernimmt zum anderen auch eine lasttragende Funktion. Daher werden zwei Varianten sogenannter Hybridträger, die sich in Bezug auf die gewählte Verbindungstechnologie von metallischer Komponente und FVK unterscheiden, hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und der Schädigungsentwicklung untersucht.
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Beide Hybridträger bestehen aus einer Grundplatte aus CFK, einem Hutprofil aus rostfreiem Stahl und einem polymeren Schaumstoffkern, der den entstehenden Hohlraum ausfüllt, und werden im Resin-Transfer-Moulding Verfahren gefertigt. Bei der differentiellen Hybridträgervariante wird das Hutprofil ausschließlich adhäsiv mit dem Laminat verbunden. Im Fall der integralen Variante wird die Verbindung hingegen durch die faserschonende Integration der Hutprofillaschen in das trockene Halbzeug vor der Konsolidierung hergestellt. Abgesehen von der Art der Anbindung an das Laminat ist die Geometrie der verwendeten Hutprofile identisch. Durch die Gestaltung der Anbindung besitzen die integralen Hybridträger jedoch eine geringere Masse.
Der Vergleich der beiden Varianten findet hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften bei quasistatischer, dynamischer und zyklischer Drei-Punkt-Biegung und bezugnehmend auf das ermittelte Schädigungsverhalten statt. Die integralen Hybridträger tragen bei allen untersuchten Belastungen ca. 20% höhere maximale Kräfte und zeigen eine größere Toleranz gegenüber mechanischen, thermischen und korrosiven Vorschädigungen. Dieses Verhalten ist auf die deutlich schädigungstolerantere Verbindung der integralen Hybridträger zurückzuführen, da neben der adhäsiven Anbindung auch ein Formschluss von Laminat und Hutprofil erreicht wird. Eine Lebensdauerprognose auf Basis des zyklischen Verhaltens des Hutprofils konnte für beide Hybridträgervarianten abgeleitet werden.

The combination of metallic materials and fibre-reinforced plastics within a structure results in so-called hybrid structures in which the individual components have specific tasks. In the work at hand, the metallic component is used for load introduction into the laminate and as a load-bearing component. Two hybrid structures are to be investigated and differ in terms of the selected joining technology of the metallic component and the FRP-laminate. They are investigated regarding their mechanical properties and damage evolution.
Both hybrid structures consist of a base plate made of CFRP laminate, a hat profile made of stainless steel and a polymer foam core. ... mehrThey are manufactured using resin transfer moulding. In the extrinsically joined structures, the hat profile is adhesively bonded to the laminate via the matrix polymer. In the case of the intrinsic structures, the joint is created by integrating flaps on the hat profile into the dry, semi-finished product before the consolidation takes place, without disrupting the fibre continuity. Both structures only differ in regard of the joining technology and thus the geometry of the hat itself is the same. However, due to the design of the joint, the hat profile of the intrinsic hybrid structures has a lower mass.
Both types of hybrids are tested and compared in terms of their mechanical properties in quasi-static, dynamic and cyclic three-point bending tests in reference to their damage behaviour. The intrinsic hybrid structures bear approximately a 20% higher maximum force at all load cases investigated and are less prone to mechanical, thermal and corrosive pre-damage. This behaviour is due to the more durable joint of the intrinsic structures. Since in addition to the adhesive bond, a form-fit of the laminate and the hat profile is achieved. A service life prediction based on the cyclic behaviour of the hat profile could be realised for both hybrid structure variants.