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Eine transparente Deckschicht als visueller Indikator für die Rissentwicklung in CFK

Ortwein, Hans-Peter

Inst. Luft- und Raumfahrt

This thesis deals with matrix-cracks in fiber reinforced plastics, their effect on strength and life expectancy as well as the nondestructive evaluation of the cracks. In most long fiber reinforced plastics inter-fiber-cracks occur at an early stage. About their formation, their growth and increase profound knowledge exists. The increase in crack density shows a typical chronological sequence. This can be used to represent the damage state by non-destructive test methods. One elegant and easy method for the monitoring of degradation is to directly evaluate the transparency of glass-fiber-reinforced-plastic-specimen. With Fatigue tests including this method it could be shown, that the evaluation of light transmission allows good conclusions about the damage state. This easy to handle method, however, is limited to transparent laminates in laboratory scale. Below a strategy is investigated, to transfer the advantages of direct evaluability and straightforwardness of this approach to other non-transparent laminates. An indicator layer of glass fiber fabric can make the crack density evolution in the course of material fatigue visible. The interaction between such layer and the base laminate is examined and it is found that the fine structure of the fabric layer plays an important role in the representation of cracks in the substrate by well-reflective micro-delaminations. Fatigue tests show comparable sequences of reflectivity. This encourages the use of this principle as a simple, straightforward structural health monitoring method. The results of the investigation suggest to further develop the use of a thin glass-fiber layer as a utilizable method for the early identification of crucial developments in inter-fiber failure. The uncomplicated principle allows examination of big surfaces and further evolution will allow automatic recording in difficult to access places as well as partly automated evaluation at low extra structural weight.
Die Arbeit beschäftigt sich mit Matrixrissen in Faserkunststoffverbunden, deren Auswirkungen auf die Festigkeit und Lebensdauer sowie deren zerstörungsfreier Darstellung. In den meisten langfaserverstärkten Faserkunststoffverbunden treten frühzeitig Zwischenfaserrisse auf. Über ihre Entstehung, ihr Wachstum und ihre Zunahme existiert bereits umfangreiches Wissen. Die Zunahme der Rissdichte über die Lebensdauer nimmt einen typischen Verlauf, der zur Darstellung des Schädigungszustandes mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren genutzt werden kann. Eine bestechend einfache Methode zu dessen Überwachung ist die direkte optische Beobachtung von transparent gefertigten GFK-Proben. An Lebensdaueruntersuchungen unter Nutzung dieses Verfahrens konnte gezeigt werden, dass die Auswertung der Lichttransmission gute Rückschlüsse auf den Schädigungszustand erlaubt. Die Nutzung dieses einfachen Verfahrens ist aber auf die Anwendung an transparenten GFK-Proben im Labor beschränkt. Im Folgenden wird eine Möglichkeit untersucht, die Vorzüge der direkten Auswertbarkeit und der Einfachheit dieses Verfahrens auf andere intransparente FKV (CFK) zu übertragen. Eine Indikatorschicht aus dünnem Glasfasergewebe kann die Rissbildung im Verlauf der Werkstoffermüdung sichtbar machen. Die Interaktion zwischen einer solchen Schicht und dem Grundlaminat wird untersucht und es zeigt sich, dass die feine Gewebestruktur der Schicht bei der Darstellung von Rissen im Substrat durch gut reflektierende Metadelaminationen eine wichtige Rolle spielt. Die Schwingversuche zeigen vergleichbare Verläufe der Rückstrahlung, was eine Nutzung als einfaches Lebensdauerüberwachungsverfahren anregt. Die Ergebnisse legen nahe, den Einsatz einer dünnen Glasfaserschicht als Schädigungsindikator zum praxistauglichen Verfahren weiter zu entwickeln, mit dem kritische Entwicklungen der Zwischenfaserrisse frühzeitig erkannt werden können. Das einfache Messprinzip erlaubt einen großflächigen Einsatz und eine Weiterentwicklung zu automatisierter Messung an schwer zugänglichen Orten und teilweise autonome Auswertung bei geringem Zusatzgewicht.