Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMKohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste (CF-PAEK) bieten enormes Leichtbaupotenzial für Luftfahrt, Windenergie und Fahrzeugbau – doch ihr Ermüdungsverhalten jenseits von 10⁷ Lastwechseln ist weitgehend unbekannt. Genau dieser VHCF-Bereich ist für Bauteile mit 30 Jahren Lebensdauer entscheidend. Das Projekt kombiniert innovative Hochfrequenz-Prüftechniken (0,2–20 kHz) mit einem neuartigen mechanismenbasierten Schädigungsmodell, um erstmals belastbare Lebensdauervorhersagen bis 10⁹ Zyklen zu ermöglichen. Damit können CFK-Strukturen künftig weniger konservativ ausgelegt werden – bei gleichzeitig höherer Sicherheit. Für Hersteller bedeutet das: volles Ausschöpfen der Materialeffizienz, Gewichtseinsparung und nachhaltigerer Materialeinsatz.
Charakterisierung und Modellierung der Ermüdungseigenschaften von thermoplastischem CFK vom HCF- bis in den VHCF-Bereich durch Hochfrequenz-Methoden
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und Herausforderungen
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix gelten als zukunftsorientierte Werkstoffe für Windkraftanlagen, Luftfahrt und Fahrzeugbau – mit jährlichen Wachstumsraten von über 10 %. Thermoplastische Matrices bieten gegenüber Duroplasten erhebliche Vorteile in Bezug auf Recyclingfähigkeit, Umformbarkeit und Reparierbarkeit. Zyklisch hochbelastete CFK-Strukturen – etwa Rotorblätter von Windenergieanlagen oder Rumpfstrukturen von Flugzeugen – müssen Lebensdauern von bis zu 30 Jahren und damit Lastwechselzahlen weit jenseits von 10⁸ ertragen. Über das Ermüdungsverhalten thermoplastischer CFK in diesem VHCF-Bereich (Very High Cycle Fatigue) existieren jedoch kaum gesicherte Erkenntnisse. Der Grund: Konventionelle Prüfsysteme arbeiten mit maximal 10 Hz, sodass ein Einzelversuch bis 10⁹ Zyklen über 3 Jahre dauern würde. In der Konsequenz werden CFK-Strukturen heute extrem konservativ ausgelegt – das volle Leichtbaupotenzial bleibt ungenutzt, Material wird verschwendet und Strukturen sind unnötig schwer.
Lösungsansatz des Projekts
Das Projekt kombiniert zwei innovative Hochfrequenz-Prüfmethoden – Mikrobiegeresonanz (0,2–2 kHz am Fraunhofer IWM) und Ultraschallermüdung (20 kHz am INATECH) – um erstmals systematisch das Ermüdungsverhalten von CF-PAEK-Laminaten bis 10⁹ Lastwechsel zu charakterisieren. Durch mehrstufige in-situ-Schädigungsdetektion (Thermografie, Vibrometrie, Mikroskopie, nichtlineare Akustik) werden die relevanten Schädigungsmechanismen identifiziert und quantifiziert. Parallel wird am Fraunhofer IWM ein neuartiges, mechanismenbasiertes Kontinuumsschädigungsmodell formuliert und als FE-Materialroutine implementiert, das eine durchgängige Lebensdauervorhersage vom LCF- über den HCF- bis in den VHCF-Bereich ermöglicht.
Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen
Das Projekt schließt eine fundamentale Wissenslücke zum Langzeitermüdungsverhalten thermoplastischer CFK und liefert sowohl experimentelle Methoden als auch ein praxistaugliches Simulationswerkzeug. Damit können CFK-Bauteile künftig mit geringeren Sicherheitsfaktoren ausgelegt werden – bei gleichzeitig höherer Zuverlässigkeit. Dies ermöglicht leichtere Windkraftrotorblätter, gewichtsoptimierte Flugzeugstrukturen (weniger Kerosinverbrauch) und einen insgesamt nachhaltigeren Materialeinsatz. Die direkte Validierung an einem Windenergie-Rotorblatt als Fallstudie demonstriert die industrielle Anwendbarkeit.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Ermüdungsdatenbasis für CFK bis in den VHCF-Bereich – frequenzaufgelöst und mechanismenbasiert
Das Fraunhofer IWM erzeugt eine experimentelle Datenbasis, die Wöhlerkurven für CFK-Laminate bis 10⁹ Zyklen in mehreren Faserorientierungen liefert – inklusive kontinuierlich quantifizierter Schädigungsentwicklung über die gesamte Versuchsdauer.
Industriell einsetzbares Kontinuumsschädigungsmodell für CFK – gültig von statischer Last bis VHCF
Das Fraunhofer IWM entwickelt ein neuartiges Schädigungsmodell, das alle relevanten CFK-Versagensmechanismen – Faserbruch, Zwischenfaserbruch (Zug, Druck, Schub) und Delamination – physikbasiert und mechanismengetrennt beschreibt und als einsatzbereite User-Material-Subroutine in der kommerziellen FE-Umgebung Abaqus implementiert wird. Ergänzend entsteht ein vereinfachtes Postprocessing-Modell in Form einer verallgemeinerten Miner-Regel für den direkten Einsatz in der industriellen Auslegungspraxis.
Ein an einem Rotorblatt demonstriertes und validiertes Auslegungswerkzeug für die Industrie
Das Fraunhofer IWM schließt das Projekt mit einem vollständig validierten Modell ab, dessen Leistungsfähigkeit in einer Fallstudie an einem Windenergie-Rotorblatt – in Zusammenarbeit mit Prof. Montesano, University oft Waterloo – unter realen Strukturbedingungen nachgewiesen wird.
Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:
1. VHCF-Ermüdungscharakterisierung von CFK und Faserverbundwerkstoffen mittels Mikrobiegeresonanz
Das Fraunhofer IWM ermittelt Ermüdungsdaten für Faserverbundwerkstoffe bis 10⁹ Lastwechsel – in wenigen Tagen statt in mehreren Jahren. Auf Basis der einzigartigen Mikrobiegeresonanzapparatur werden Wöhlerkurven in mehreren Prüfrichtungen bei vernachlässigbarer Probenerwärmung aufgenommen, die den gesamten VHCF-Bereich belastbar abdecken.
2. Mechanismenbasierte Lebensdauervorhersage für CFK-Bauteile als FE-Simulation
Das Fraunhofer IWM führt numerische Lebensdauerbewertungen für kundenspezifische Laminataufbauten und Belastungsszenarien durch – auf Basis eines neuartigen Kontinuumsschädigungsmodells, das alle relevanten Versagensmechanismen (Faserbruch, Zwischenfaserbruch, Delamination) physikbasiert und mechanismengetrennt beschreibt und als einsatzbereite Subroutine in Abaqus verfügbar ist.
3. Frequenzeinfluss-Bewertung und Übertragbarkeit von Hochfrequenz-Prüfdaten auf Betriebsbedingungen
Das Fraunhofer IWM quantifiziert, ob und in welchem Maß hochfrequent gewonnene Ermüdungsdaten auf reale Betriebsfrequenzen übertragbar sind.
4. In-situ-Schädigungsdetektion und -quantifizierung an Verbundwerkstoffen
Das Fraunhofer IWM bietet kombinierte Messtechniken zur frühzeitigen Erkennung und kontinuierlichen Quantifizierung von Ermüdungsschäden in Faserverbundwerkstoffen – als experimentelle Dienstleistung und als methodische Grundlage für Condition-Monitoring-Konzepte.
5. Qualifizierung thermoplastischer CFK-Systeme für Langzeitanwendungen im VHCF-Bereich
Das Fraunhofer IWM qualifiziert neue thermoplastische CFK-Systeme auf Basis von PAEK-, PEEK- oder PPS-Matrices hinsichtlich ihrer VHCF-Tauglichkeit – und liefert damit die abgesicherte werkstoffwissenschaftliche Grundlage für die Werkstoffauswahl in sicherheitskritischen Langzeitanwendungen.
