Quelltext der Seite Mehrfachbruch UD-Tapes

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<span style="font-size:1.2em;font-weight:bold;">Mehrfachbruch UD-Tapes</span>
__FORCETOC__
==Deformations- und Bruchverhalten von UD-Tapes==

Das Phänomen des Mehrfachbruches eines [[Prüfkörper]]s bei der [[Beanspruchung]] im [[Zugversuch]] wird bei Kunststoffverbunden beobachtet, z. B. an unidirektional (UD) verstärkten Endlosfaser-Kunststoff-Verbunden (FKV), sogenannten UD-Tapes [1]. Aufgrund der unidirektionalen Endlosverstärkung können UD-Tapes in Faserrichtung sehr hohe [[Festigkeit]]s- und [[Steifigkeit]]sanforderungen erfüllen. Durch eine Applikation der UD-Tapes entlang der Lastpfade bzw. der Belastungsrichtung können die Vorteile optimal ausgeschöpft werden, entweder direkt als Tape oder nach einer Konsolidierung mehrerer Lagen als Laminat, wobei die [[Faserorientierung]] der Schichten dem [[Kunststoffbauteil|Bauteil]] individuell angepasst werden kann (siehe auch: [[Glasfaserorientierung]]). Aufgrund der Vorteile bei der Verarbeitung und im Einsatz in Leichtbaukonstruktionen oder dem Ersatz metallischer Bauteile gewinnen UD-Tapes mit [[Thermoplaste|thermoplastischer Matrix]] zunehmend an Bedeutung [2, 3].<br>
Für die Laminatherstellung aus UD-Tapes sind die Schichtung des Tapes in präzisen Winkeln, eine konstante Dicke und eine gleichmäßige und defektfreie Verpressung besonders wichtig. Treten dabei Abweichungen auf, sind die Auswirkungen auf die Art des [[Deformation]]s- und [[Bruchverhalten]]s und insbesondere beim [[Bauteilversagen|Versagen]] durch [[Bruch]] bedeutsam. Die Eigenschaften einer einzelnen Lage sind für die Eigenschaften der Gesamtheit des späteren Verbundes bestimmend. Aus diesem Grund ist die Auswahl von aussagekräftigen Prüfmethoden der [[Kunststoffprüfung]] und [[Kunststoffdiagnostik|Diagnostik]], die die Eigenschaften von dünnen FVK-Lagen beschreiben können, von essentieller Bedeutung (siehe auch: [[Prüfung von Verbundwerkstoffen]]).

Trotz des Sachverhaltes, dass eine reine Zugbeanspruchung in der Praxis eher die Ausnahme darstellt, wird die Charakterisierung der Eigenschaften mit dem [[Zugversuch]] unter prüfmethodischen Aspekten häufig bevorzugt durchgeführt.

==Mehrfachbrüche an einschichtigen UD-Tapes PA/eGF und PPeGF sowie dem mehrschichtigen UD-Tape PET/CReF/PET==

Das Auftreten von Mehrfachbrüchen wird am Beispiel von zwei einschichtigen UD-Tapes mit einer Matrix aus Polyamid 6 ([[Kurzzeichen]]: PA6) bzw. Polypropylen ([[Kurzzeichen]]: PP) mit einer Endlosglasfaserverstärkung dargestellt (mit PA/eGF bzw. PP/eGF bezeichnet). Weiterhin wurde ein mehrschichtiges UD-Tape bestehend aus einer Matrix aus Polyethylenterephthalat ([[Kurzzeichen]]: PET) und einer Endlosfaser aus Celluloseregenerat (CReF) charakterisiert. Dieses Tape ist dreischichtig (PET/ CReF/PET). Die einschichtigen Tapes haben eine Dicke von ca. 300 µm bzw. 500 µm bei PET/CReF/PET. Der [[Zugversuch]] wurde in Anlehnung an die DIN EN ISO 527-4 durchgeführt [4] wobei die Endlosfasern unidirektional in Lastrichtung ausgerichtet waren, analog der Einsatzbestimmung der UD-Tapes im Bauteil. Als [[Werkstoffkennwert|Kennwerte]] wurden der [[Elastizitätsmodul]] E<sub>t</sub>, die Spannung beim ersten Peak σ<sub>B1</sub>, also beim ersten Faserbruch, bzw. beim Maximum σ<sub>M</sub> ermittelt.

Die UD-Tapes PA/eGF und PP/eGF zeigen ein typisches Spleißen und strangweises Brechen bei Zugbeanspruchung. Dies ist in '''Bild 1a)''' und '''b)''' dargestellt.

[[Datei:Mehrfachbruch_UD-Tapes-1.JPG|550px]]
{| 
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''': 
|width="600px"|Spleißen und strangweises Brechen der Prüfkörper bei Zugbeanspruchung von PA/eGF (a), PP/eGF (b) bzw. Bruch von PET/CReF/PET im unteren Bereich (c)
|}

Die einzelnen Faserstränge der UD-Tapes brechen in einem kurzen zeitlichen Abstand. Dies führt zu den Mehrfachbrüchen, die auch in den [[Zugversuch_Wahres_Spannungs-Dehnungs-Diagramm|Spannungs-Dehnungs-Diagrammen]] (siehe '''Bild 2''' und '''Bild 3''') zu erkennen sind. Trotz der Brüche ist eine weitere Lastaufnahme der Tapes möglich. Erst das Überschreiten eines kritischen Belastungszustandes an getrennten Strängen führt zu einem kompletten Versagen (siehe: [[Bruch]]) des [[Prüfkörper]]s. Ein völlig anderes Versagensverhalten zeigt PET/CReF/PET. Nach einem [[Brucharten|Sprödbruch]] der PET-Schichten besitzen die Fasern noch eine Restfestigkeit und haften weiterhin am Rand der [[Bruchprozesszone|Bruchzone]] in der Matrix. Dies kann während des Versuchs beobachtet werden. Damit kann vom Tape noch weitere Arbeit aufgenommen werden, bis der [[Bruch|Gesamtbruch]] des Prüfkörpers erfolgt. Somit zeigen sowohl die einlagigen UD-Tapes PA/eGF und PP/eGF als auch PET/CReF/PET einen komplexen Bruchprozess bei einer Zugbeanspruchung.

In der '''Tabelle 1''' sind die mit dem [[Zugversuch]] ermittelten [[Werkstoffkennwert|Kennwerte]] zusammengefasst. Der [[Elastizitätsmodul]] E<sub>t</sub> ist ein Maß für die [[Probennachgiebigkeit#Probensteifigkeit|Steifigkeit]] der Prüfkörper bei Zugbeanspruchung und für die UD-Tapes vergleichsweise hoch, bedingt durch die einachsige Orientierung der Endlosfasern. Die Spannung beim ersten Strangbruch σ<sub>B1</sub> ist für die beiden UD-Tapes PA/eGF und PP/eGF deutlich höher als die vergleichbare [[Zugfestigkeit]] σ<sub>M</sub> von PET/CReF/PET.

[[Datei:Mehrfachbruch_UD-Tapes-2.JPG|550px]]
{| 
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''': 
|width="600px"|Spannungs-Dehnungs-Diagramm von jeweils 5 Prüfkörpern (1–5) für die UD-Tapes der Werkstoffe PA/eGF und b) PP/eGF
|}

[[Datei:Mehrfachbruch_UD-Tapes-3.JPG|275px]]
{| 
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''': 
|width="600px"|Spannungs-Dehnungs-Diagramme von 5 Prüfkörpern (1–5) für das UD-Tape PET/CReF/PET
|}


{| 
|- valign="top"
|width="70px"|'''Tabelle 1''': 
|width="415px"|Kennwerte aus dem Zugversuch: [[Elastizitätsmodul]] E<sub>t</sub>, Spannung beim ersten Strangbruch σ<sub>B1</sub> bzw. [[Zugfestigkeit]] σ<sub>M</sub> 
|}
{| border="1px" style="border-collapse:collapse" 
!! style="width:160px; background:#DCDCDC"|UD-Tape
!! style="width:80px; background:#DCDCDC"|E<sub>t</sub><br>(GPA)
!! style="width:80px; background:#DCDCDC"|σ<sub>B1</sub><br>(MPa)
!! style="width:80px; background:#DCDCDC"|σ<sub>M</sub><br>(MPa)
!! style="width:80px; background:#DCDCDC"|σ<sub>B</sub><br>(MPa)
|-
|style="text-align:left"|PA/eGF
|style="text-align:center"|23,0 ± 1,7
|style="text-align:center"|550 ± 81
|style="text-align:center"|-
|style="text-align:center"|408 ± 75
|-
|style="text-align:left"|PP/eGF
|style="text-align:center"|24,0 ± 1,4
|style="text-align:center"|416 ± 67
|style="text-align:center"|-
|style="text-align:center"|258 ± 86
|-
|style="text-align:left"|PET/CReF/PET
|style="text-align:center"|6,1 ± 0,5
|style="text-align:center"|-
|style="text-align:center"|114 ± 9
|style="text-align:center"|26 ± 6
|}

Das Bruchverhalten der UD-Tapes im [[Zugversuch]] ist sehr komplex. Die ermittelten [[Werkstoffkennwert|Kennwerte]] erlauben eine Differenzierung der UD-Tapes und eine Werkstoffcharakterisierung. Für eine detailliertere Beschreibung des Bruchverhaltens von UD-Tapes stellt die Anwendung bruchmechanischer Methoden zur Bewertung der [[Rissinitiierung]] und [[Rissausbreitung]] einen vielversprechenden Ansatz zur Weiterentwicklung der bisher verwendeten Konzepte dar (siehe: [[Bruchmechanische Prüfung]]).


==Siehe auch==
*[[Prüfung von Verbundwerkstoffen]]
*[[Plastographie]]
*[[Steifigkeit]]


'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Monami, A., Langer, B., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Moderne Methoden der Kunststoffprüfung zur Werkstoffentwicklung und Bauteilprüfung/Modern Methods of Polymer Testing for Material Development and Testing of Components. Werkstoffprüfung 2016, Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis 1. und 2.12.2016, Neu-Ulm, Tagungsband S. 219–224 (ISBN 978-3-514-00830-4; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter G 61)
|-valign="top"
|[2]
|Haanappel, S. P., Akkerman, R.: Shear Characterisation of Unidirectional Fibre Reinforced Thermoplastic Melts by Means of Torsion. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 56 (2014) 8−26
|-valign="top"
|[3]
|Gao, S.-L., Kim, J.-K.: Cooling Rate Influences in Carbon Fibre/PEEK Composites. Part II: Interlaminar Fracture Toughness. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 32 (2001) 763−774
|-valign="top"
|[4]
|DIN EN ISO 527-4 (2022-03): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 4: Prüfbedingungen für isotrop und anisotrop faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe (siehe auch mit geänderten Prüfbedingungen in DIN EN ISO 527-4 (2023-07) 
|}

[[Kategorie:Bruchmechanik]]