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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 3
Gliederung
Impactverbesserung von CFK-Laminaten durch Einsatz von Nanopartikeln
Invulnerable Structures
Flammschutz und Brandtests
Schnelle Harze
Leitprojekt CFK Rumpf NG 4
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.
Leitprojekt CFK Rumpf NG 5
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 6
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 7
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 8
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 9
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%
Leitprojekt CFK Rumpf NG 10
US-Ergebnisse (C-scan)
Referenz 10% Kautschuk
20 J
30 J
Schadensfläche um 51 % reduziert.
Schadensfläche um 33 % reduziert.
Leitprojekt CFK Rumpf NG 11
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 12
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)
Leitprojekt CFK Rumpf NG 13
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).
Leitprojekt CFK Rumpf NG 14
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 15
ForschungsteamExperte für WerkstoffeDr. Thorsten MahrholzTel.: 0531/[email protected]
Experte für NanocompositesChristine ArltTel.: 0531/[email protected]
Leitprojekt CFK Rumpf NG 16
Gliederung
Impactverbesserung von CFK-Laminaten durch Einsatz von Nanopartikeln
Invulnerable Structures
Flammschutz und Brandtests
Schnelle Harze
Leitprojekt CFK Rumpf NG 17
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 18
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]
Leitprojekt CFK Rumpf NG 19
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 20
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 21
Untersuchung/Methodik
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 22
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 23
ForschungsteamExperte für FertigungsverfahrenRüdiger KeckTel.: 0711/[email protected]
Experte für HybridlaminateMatthias HornTel.: 0711/[email protected]
Experte für OberflächenaktivierungAndreas BuchheimTel.: 0711/[email protected]
Leitprojekt CFK Rumpf NG 24
Gliederung
Impactverbesserung von CFK-Laminaten durch Einsatz von Nanopartikeln
Invulnerable Structures
Flammschutz und Brandtests
Schnelle Harze
Leitprojekt CFK Rumpf NG 25
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 26
Untersuchung/Methodik
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 27
Untersuchung/Methodik
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 28
Untersuchung/Methodik
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)
Leitprojekt CFK Rumpf NG 29
Untersuchung/Methodik
Injektion von Nanopartikel-modifiziertem Epoxidharz (Machbarkeitsnachweis)
Viskositätsverlauf des modifizierten Harzes (10% ATH)Injektionsaufbau
Integralstringer Angusslinie
Leitprojekt CFK Rumpf NG 30
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 31
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 32
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 33
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 34
OSU-Kalorimeter-Messungen zur Ermittlung der Heat-Release-Rate
Verbundprobe unmodifiziertVerbundprobe mit ATH
Heat-Release-Rate:
Leitprojekt CFK Rumpf NG 35
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 36
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 37
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 38
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 39
Gliederung
Impactverbesserung von CFK-Laminaten durch Einsatz von Nanopartikeln
Invulnerable Structures
Flammschutz und Brandtests
Schnelle Harze
Leitprojekt CFK Rumpf NG 40
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 41
Untersuchung/Methodik
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 42
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 43
Ergebnisse
Messung mittels DSC
Umsatz isotherm:RTM 6 bei 200°C = 91%
Nachvernetzung:RTM 6 = 9%
kühlen auf RT
Leitprojekt CFK Rumpf NG 44
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 45
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 46
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 47
ForschungsteamExperte für WerkstoffeJürgen MoschTel.: 0531/[email protected]
Expertin für WerkstoffeWibke ExnerTel.: 0531/[email protected]
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