HIS – Hybrid Impact Safety

Ein aktueller Trend, v. a. im Bereich Automotive, ist der zunehmende Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) statt metallischen Konstruktionswerkstoffen. Die Motivation dafür liegt maßgeblich im Leichtbaupotential, welches sich aus den hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten ergibt. Aufgrund dieser Eigenschaften werden FVK zumeist im Sinne eines Strukturwerkstoffes verwendet. Die Resistenz einer solchen Struktur gegen transversale Schlagbeanspruchung, z. B. durch Steinschlag,  wird hingegen häufig vernachlässigt. Das Ziel des Forschungsprojektes Hybrid Impact Safety (HIS) war es daher, durch gezielte Einstellung des Lagenaufbaus und die Verwendung verschiedener Faserwerkstoffe einen hybriden Werkstoff mit gesteigerter Impactresistenz bei möglichst gleichbleibenden Struktureigenschaften zu generieren.

Durch den Grundgedanken, die Widerstandsfähigkeit des FVK gegen transversale Schlagbeanspruchung signifikant zu erhöhen und gleichzeitig das Leichtbaupotential zu nutzen, können diese beiden Aspekte kombiniert werden und die zusätzliche Masse einer Schutzstruktur entfällt. Dabei wurden unterschiedliche Parameter wie der Lagenaufbau des Bauteils, die Anordnung der unterschiedlichen Faserwerkstoffe und dessen Position im Lagenaufbau sowie die dissipierte Energie in Abhängigkeit der projizierten Schadensfläche untersucht. Dabei wird grundlegend zwischen der Erhöhung der Crashsicherheit des Bauteils und der Erhöhung der Impactresistenz unterschieden, die einerseits durch geringere Schadensflächen und andererseits hohe dissipierte Energien definiert sind. Zusätzlich kann eine Anpassung der Impactresistenz dazu genutzt werden, möglichst viel Energie in die Struktur einzuleiten, um Personenschäden zu verringern und den sogenannten Fußgängerschutz zu erhöhen.

In dem von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Vorhaben Hybrid Impact Safety wurden monolithische Probekörper aus basaltfaser- (BFK), glasfaser- (GFK) und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) sowie hybride Materialkombinationen mit dem Lagenaufbau [0/90]4s sowie [0/45/90/-45]2s auf ihr Impactverhalten untersucht und das Schadensausmaß mittels Ultraschallverfahren ermittelt. Da die Schadensvorgänge stark von der Impactgeschwindigkeit abhängen, wurden Untersuchungen im Low-, Mid- und High-Velocity-Bereich an verschiedenen Prüfanlagen durchgeführt. Für die ersten beiden Bereiche wurden instrumentierte Falltürme mit und ohne Zusatzbeschleunigung verwendet.  Für die Hochgeschwindigkeits-Untersuchungen wurde dabei eine instrumentierte Beschussanlage der Universität der Bundeswehr genutzt, um definierte Kugellagerkugeln mit nahezu idealer Rundheit, gleichbleibendem Gewicht und bis zu 500 m/s auf die Prüfplatten aufprallen zu lassen. Herkömmliche Patronen, wie in der Abbildung rechts, lieferten hohe Schwankungen in den Impactenergien.

Die Veränderung der Belastungsgeschwindigkeit bewirkt bei einer transversalen Schlagbeanspruchung unterschiedliche Schadensmechanismen und somit ein anderes Absorptionsverhalten des Werkstoffs in Bezug auf die kinetische Energie. Die resultierenden Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen wurden durch FE-Modelle validiert, die interlaminare Versagensmechanismen abbilden.

Die Untersuchungen an den monolitischen Materialkombinationen im Low-Velocity-Bereich zeigen einen deutlichen Einfluss des verwendeten Lagenaufbaus. Der Lagenaufbau [0/90]4s zeigt bei allen Materialien eine Verbesserung der Impactresistenz sowie der Crashsicherheit gegenüber dem Lagenaufbau [0/45/90/-45]2s. Das monolitische Material CFK zeigt ein sehr geringes Potential der Impactresistenz. Es findet allerdings aufgrund des geringen Gewichts und der hohen spezifischen Steifigkeiten häufig Anwendung als Konstuktionswerkstoff. Das monolithische Material BFK zeigt bei diesen Untersuchungen das höchste Potential der Impactresistenz. Die projizierte Schadensfläche wird bei deutlich zunehmender dissipierter Energie kleiner. Da dieses Material aufgrund des hohen Gewichts für die Bauteilentwicklung meist keine Verwendung findet, werden die Materialien miteinander kombiniert, um die Vorteile miteinander zu vereinen.

Die Materialkombination CFK/BFK zeigt eine erhöhte Crashsicherheit, wobei die Materialkombination GFK/BFK eine erhöhte Impactresistenz aufweist. Dabei wird im Fall von CFK/BFK, bei einer relativen Massezunahme von 23 % gegenüber reinem CFK, eine Steigerung der Crashsicherheit von 29 % erreicht. Die Untersuchungen der hybriden Materialkombinationen zeigen außerdem, dass ein deutlicher Einfluss des Kernmaterials einer Materialkombination in Bezug auf die projizierte Schadensfläche und somit auf die Impactresistenz besteht. In den High-Velocity-Untersuchungen zeigt sich, dass die Wahl des Kernmaterials keinen Einfluss auf die Crashsicherheit hat. Alle Materialkombinationen zeigen keine Veränderung der dissipierten Energie beim Wechsel des Kern- und des Oberflächenmaterials, jedoch hat dies einen deutlichen Einfluss auf die projizierte Schadensfläche und somit auf die Impactresistenz des Bauteils. Die Untersuchungen zeigen, dass bei der Auswahl der Materialien der Anwendungsfall berücksichtigt werden muss. Somit kann durch eine Materialkombination eine Verbesserung der Impactresistenz oder der Crashsicherheit bei geringer Massezunahme und gleichbleibenden statischen Struktureigenschaften erreicht werden.