Zu dünnschichtigem kohlenstofffaserverstärktem Prepreg-Material, sog. “Thin Ply“-Material, werden im Rahmen des interdisziplinären Exzellenzclusters „Sustainable and Energy Efficient Aviation“ (SE²A) Forschungsarbeiten zu Ablagetechnologien durchgeführt.
Erforschung der automatisierten Ablage von Thin Ply Prepreg
In den vergangenen zwei Jahren wurden im Rahmen von SE²A am Institut die Eigenschaften und die automatisierte Verarbeitung von Thin Ply Prepregs erforscht. Thin Plies sind dünner als Standardmaterial (< 0,1 mm Dicke). Sie bieten bessere mechanische Eigenschaften, benötigen für die gleiche Laminatdicke jedoch eine entsprechend längere Fertigungsdauer. Zur Kompensation dieses Mehraufwands ist die automatisierte Ablage des Thin Ply Prepregs eine Schlüsseltechnologie. Dazu werden im Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologien in Stade Roboter mit Prepreg-Ablageköpfen verwendet.
Untersuchung der statischen und dynamischen Eigenschaften von Bauteilen aus Thin Plies
Neben der Erforschung der automatisierten Verarbeitung lag im Rahmen einer Kooperation mit dem Institut für Statik und Dynamik (ISD) der LUH (Leibniz Universität Hannover) der Fokus auf der Erforschung schichtdickenabhängiger Eigenschaften von aus Thin Plies gefertigten Bauteilen. Dazu wurden in Stade vier verschiedene, quasiisotrope (QI) Laminate mit Schichtdicken von 50 µm, 100 µm, 150 µm und 200 µm gefertigt. Aus diesen Laminaten wurden Probekörper für statische Zug- und Drucktests hergestellt und am ISD getestet.
Beispielhaft ist das Ergebnis der Zugversuche dargestellt. Deutlich wird, dass die Zugfestigkeit mit abnehmender Schichtdicke signifikant ansteigt, Thin Ply Lagen somit einen deutlichen Festigkeitsvorteil bieten. Die anstehenden dynamischen Tests am ISD werden die statischen Tests ergänzen. Im Sinne der Vergleichbarkeit sind die Proben daher ähnlich konzipiert. Im Rahmen dieser Tests werden zuerst die grundsätzlichen Materialeigenschaften des Thin Ply Prepregs mit Hilfe von unidirektionalen (UD-)Proben ermittelt. Anschließend werden Lochproben mit 50 µm, 100 µm und 200 µm Schichtdicke dynamisch auf Zug-Zug, Zug-Druck und Druck-Druck getestet. Die auftretenden Schäden werden nach definierten Lastspielzahlen begutachtet.
Die dynamischen Tests dienen als vorbereitende Forschung für eine der vielversprechendsten Thin Ply Anwendungen: der Verwendung in Tankstrukturen zur kryogenen Wasserstoffspeicherung an Bord künftiger Generationen von Verkehrsflugzeugen. Wasserstoff wird aufgrund der gravimetrischen Vorteile in kryogener Form mitgeführt. Diese Form der Speicherung ist daher eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg hin zu einer emissionsfreien Luftfahrt. Da die Wasserstofftanks immer wieder nahezu entleert und gefüllt werden, sind sie einer zyklischen bzw. dynamischen Belastung durch die auftretenden Temperaturdifferenzen ausgesetzt. Bei dieser zyklischen Belastung treten bei Standardprepregs häufig Mikrorisse und in der Folge Leckagen auf. Doch da Thin Plies Mikrorisse effektiv unterdrücken, können sie helfen, Wasserstofftanks abzudichten und dauerhaft dicht zu halten.
