Abstract:
Die Formgebung von Carbonfasergewebe in komplexe dreidimensionale Bauteilgeometrien erfordert eine Drapierung des zweidimensionalen Zuschnitts. Aufgrund der hohen Steifigkeit und der vernachlässigbar kleinen Bruchdehnung erfolgt die Formgebung hauptsächlich über den Mechanismus der Scherdeformation. Eine Vorhersage der Formbarkeit, Faltenbildung und des Faserverlaufs kann über die Durchführung einer Drapiersimulation erreicht werden. Zur Erzielung einer realitätsnahen Übereinstimmung sind die Materialkennwerte des Gewebes erforderlich. Einer der wichtigsten Kennwerte ist das charakteristische Scherverhalten über den Verlauf des Scherwinkels. ... mehrNach dem Stand der Forschung wird diese Kenngröße beispielsweise über einen Picture Frame Test, unidirektionalen Bias Extension Test oder unter Berücksichtigung der Zugspannungsversteifung, einen Biaxialer Bias Extension Test ermittelt. Bei nahezu allen Drapiermethoden entstehen bei der Formgebung Zugkräfte in Faserrichtung sowie Normalkräfte, die senkrecht auf das Gewebe wirken. Die Scherversteifung durch die Zugkräfte wurde in zahlreichen Arbeiten erforscht und beruht indirekt auf Normalkräfte, die durch die Ondulation der Faserbündel an den Kreuzungspunkten des Gewebes entstehen. Der Einfluss der direkt auf das Gewebe einwirkenden Normalkräfte auf das Scherverhalten wurde bisher nur wenig erforscht.
In der Arbeit wird zunächst eine neue Prüfeinrichtung entwickelt, mit der die Scherkennlinie unter Normaldruck und bei verschiedenen Temperaturen zur Prüfung von einseitig mit Binder versehenem Gewebe ermittelt werden kann. Die Prüfeinrichtung wird auf der Basis der gängigen Prüfmethode des unidirektionalen Bias Extension Tests und des Picture Frame Tests aufgebaut und anhand eines Carbonfaser-Leinwandgewebes auf seine Eignung getestet. Es zeigt sich hierbei, dass der modifizierte Picture Frame Test die zuverlässigere Methode zur Messung des Scherverhaltens unter Normalkraft und Temperaturen im Schmelzbereich des Binders ist.
Unter Normalkraft entstehen reibungsbehaftete Relativbewegungen zwischen dem Gewebe und den Druckplatten, an den Kreuzungspunkten innerhalb des Gewebes (intralaminiar) und zwischen benachbarten Lagen eines Mehrschichtstapels (interlaminar). Die Reibkräfte werden in umfangreichen Messreihen unter Variation der Normalkraft, der Reibgeschwindigkeit, der Temperatur, mit und ohne Binderauftrag und die Art der Schichtung des Mehrschichtstapels untersucht. Auf Basis der Ergebnisse der Reibwertuntersuchung wird eine Berechnungsgleichung aufgestellt, mit der die viskos-elastische Reibung in Abhängigkeit von der Viskosität, dem Normaldruck und der Reibgeschwindigkeit ermittelt werden kann. Anhand von Mikrographieaufnahmen wird das Tragbildung an den Kreuzungspunkten des Gewebes aufzeigt und lässt Rückschlüsse auf das viskos-elastische Verhalten des Binders bei der Scherung zu.
Mit der entwickelten Prüfeinrichtung auf Basis des Picture Frame Tests unter Normaldruck und Temperatur werden mit einem Leinwandgewebe mit T700SC 12K 50C Fasern und einseitig aufgetragenem Reaktivbindersystem des Herstellers Toray unter Variation des Normaldrucks, der Temperatur, mit und ohne Binder und Art der Stapelbildung zahlreiche Messreihen durchgeführt. Hierbei bestätigt sich der signifikante Einfluss der Normalkraft auf die Scherkennlinie des verwendeten Gewebes.
Die Verifizierung der Ergebnisse erfolgt über die Durchführung von Simulationen der Schercharakterisierung der wesentlichen Messreihen. Um eine Verifizierung erreichen zu können wird ein mathematischer Ansatz aufgestellt, der die Wirkzusammenhänge für die Reibung des Gewebes zu den Druckplatten, des intralaminaren Scherwiderstandes und des interlaminaren Scherwiderstandes beschreibt. Für alle Varianten wird somit ein durchgehend gleicher Rechenansatz gewählt, der auf physikalische Größen, wie Reibungskoeffizient, Normalkraft und Übersetzungsverhältnis (Proportionalitätskonstante) beruht. Die abstrahierten Scherkennlinien werden hierbei in drei charakteristische Bereiche eingeteilt, dem Anfangshaftreibungsbereich, dem Plateau Bereich und dem Scherversteigungsbereich. Die Untersuchung zeigt, dass die intralaminare Scherversteifung zu einem großen Teil durch die Querkompression der Faserbündel entsteht und stark von der Normalkraft abhängt. Hierbei zeigt sich auch, dass die Querkompression unter Normaldruck bereits vor dem Schließen der Lücken zwischen benachbarten Faserbündeln eintritt. Der Grenzwinkel (Locking Angle) ab dem die Scherversteifung einen progressiven Anstieg verzeichnet, setzt bei steigender Normalkraft bereits bei einem geringeren Scherwinkel ein. Dieses Phänomen wird auf den reduzierten Mikroporengehalt der Faserbündel durch den Normaldruck zurückgeführt.
Abstract (englisch):
The forming of carbon fiber fabrics into complex three-dimensional component geometries requires the draping of the two-dimensional ply. Due to the high stiffness and the negligibly small plastic deformation, the forming mainly takes place via the shear deformation mechanism. Prediction of formability, wrinkle formation, and fiber orientation can be achieved using draping simulation tools. The material data of the fabric are required to achieve a realistic prediction. One of the most important material data is the characteristic shear behavior over the course of the shear angle. ... mehrAccording to the state of the art this shear characteristic are measured, for example, by means of a picture frame test, unidirectional bias extension test or taking into account the tension locking behavior, the biaxial bias extension test. At almost all draping methods, tensile forces occur in the fiber direction during forming as well as normal forces which act perpendicularly to the fabric plane. The increase of the shear resistance due to fiber tension has been investigated in numerous studies and is based indirectly on normal forces caused by the undulation of the fiber bundles at the cross-over points of the fabric. So far the influence of the normal forces acting directly on the fabric on the shear behavior has been little investigated.
In this work a new test device is developed with which the shear curve can be determined under normal pressure and at various temperatures for the testing of fabrics with binder application on a single side. The test device is built on the basis of the state of the art test methods of the unidirectional bias extension test and the picture frame test. Its suitability is tested using a woven carbon fiber fabric. It is shown that due to the high shear forces under normal force, the modified picture frame test is the more reliable method for measuring the shear behavior under normal force and temperatures in the melting range of the binder.
Under normal force friction-induced relative movements between the fabric and the pressure plates occur, as well as at crossover points within the fabric (intralaminar) and between adjacent layers of a multilayer stack (interlaminar). The coefficients of frictions are investigated in extensive measuring series, varying the normal force, the friction velocity, the temperature, with and without binder application, and the type of layering of the multilayer stack. Based on the results of the friction coefficient test, an equation is established with which the visco-elastic friction can be determined as a function of the viscosity, normal pressure and the friction velocity. On the basis of micrographs, the load bearing formation at the cross-over points of the woven fabric is shown and allows conclusions to be drawn about the visco-elastic behavior of the binder during shearing.
Based on the picture frame test under normal force and temperature, a test series with the plain weave fabric from Toray with T700SC 12K 50C fibers and a reactive binder system applied on a single side is performed under varying the normal force, the temperature, with and without binder and the type of stacking. The significant influence of the normal force on the shear curve of the fabric is hereby confirmed.
The results are verified by performing shear characterization simulations of the essential measurement series. In order to achieve verification, a mathematical approach is described, which uses the functional relationships of the friction behavior of the fabric to the pressure plates, the intralaminar shear resistance and the interlaminar shear resistance. For all variants, therefore, a consistently uniform calculation approach is selected which is based on physical variables, such as coefficient of friction, normal force and gear ratios (proportionality constant). The abstracted shear curves are divided into three characteristic areas, the initial static friction area, the plateau area and the shear locking area. The investigation shows that the intralaminar shear locking results to a large extent by the transverse compression of the fiber bundles and strongly depends on the normal force. It also shows that the transverse compression occurs under normal force already before the gaps between adjacent fiber bundles are closed. The locking angle at which the shear resistance shows a progressive increase starts at lower shear angles with increasing normal force. This phenomenon is attributed to the reduced microporous content of the fiber bundles under normal force.
