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Von leichter Festigkeit

19. September 2018 Automobilbau in Brasilien

Im Automobilsektor ist Brasilien eine feste Größe. Bis zur letzten Krise, von der sich das Land langsam wieder erholt, zählte es zu den fünf größten Automärkten der Welt. Autobauer wie Fiat Chrysler, Volkswagen, General Motors und Ford haben hier ihre Werke, MAN Latin America produziert Nutzfahrzeuge – ebenso wie Mercedes-Benz: Rund 750 Millionen Dollar will das Unternehmen in den nächsten Jahren in brasilianische Werke investieren, die Chassis für Busse und Lastwagen herstellen.

Thermografieaufnahme im CFK-Labor. Das 2017 verlängerte deutsch-brasilianische DFG-Projekt beschäftigt sich mit der Veränderung von Materialstrukturen.

Dementsprechend ist auch die Forschung des Landes stark in die Weiterentwicklung des Automobilbaus involviert – und das auf einem sehr hohen Niveau. „Das gibt uns eine ausgezeichnete Möglichkeit, um die gegenseitige Expertise auch hier zu vernetzen“, sagt Robert Schmitt vom Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, „zumal das WZL bereits in der mittlerweile dritten Forschergeneration erfolgreich mit brasilianischen Universitäten zusammenarbeitet.“Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der Universidade Federal de Santa Catarina und der Federal University of ABC in Santo André forschen Schmitt und sein Team daran, wie Schäden in Faserverbundwerkstoffen besser erkannt und somit auch repariert werden können. „Zerstörungsfreie Einschlag­schadenserkennung an kohlefaserverstärktem Kunststoff IDD-Metro im Rahmen von BRAGECRIM“ heißt ihr als Sachbeihilfe gefördertes DFG-Projekt, das 2017 in seine zweite Phase ging. Wegen ihrer energiesparenden Kombination aus Leichtigkeit und steifer Festigkeit sind Faserverbundwerkstoffe vor allem bei der Konstruktion von Pkw-Karosserieteilen oder Verkleidungsbauteilen im Fahrzeug­inneren, aber auch in der Luft- und Raumfahrttechnik sehr beliebt, im Hinblick auf ihr strukturelles Innenleben bei Schädigungen aber noch weitgehend unerforscht. „Wir kennen das Schädigungsverhalten von Stahl, aber das Verhalten der Verbundwerkstoffe kennen wir kaum“, so Schmitt. „Dementsprechend herrscht hier noch ein erheblicher Forschungsbedarf.“

Bei Steinschlag oder einem Zusammenstoß kann sich die Struktur des Verbundwerkstoffs, bei dem Glas- oder Kohlefaserverstärkungen in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, grundlegend verändern. Da die gewünschten Eigenschaften abhängig von der Ausrichtung der Fasern sind, kann das Bauteil so seine sicherheitsrelevante Festigkeit verlieren. Bisher werden beschädigte Bauteile meistens einfach gegen unbeschädigte ausgetauscht, was eine enorme Verschwendung an Ressourcen bedeutet. Deshalb will das Forscherteam in den Werkstoff hineinschauen, um Strukturveränderungen erkennbar – und damit letztendlich reparabel – zu machen. „Durch den Schichtaufbau und durch die ausgeprägte Richtungsorientierung der Fasern sieht man nämlich oftmals nur einen kleinen Einschlag an der Oberfläche“, erklärt Schmitt. „Aber man weiß nicht, wie sich der Schaden im Werkstück ausgebreitet hat.“

Um dies herauszufinden, kombiniert das Projekt bildgebende Möglichkeiten der Röntgen-Computertomografie (CT) und der Thermografie miteinander. Beide Verfahren ergänzen sich: Die CT gibt als Referenzsystem Aufschluss über die inneren Strukturen des Schadens, mittels Thermografie können dessen Grenzflächen bestimmt werden. „Im Projekt haben wir Möglichkeiten entwickelt, um daraus Angaben zur Lage, Orientierung und Größe im Bauteil zu bestimmen“, sagt Schmitt. Mit konventionellen Messtechniken war eine solche qualitative Beschreibung bisher nicht möglich. Auf längere Sicht soll das sogar allein auf thermografischer Basis funktionieren. Schließlich könne sich „wegen der hohen Kosten und der Röntgenstrahlung nicht jedes Labor oder jede Werkstatt ein CT leisten“.

Für ihre Forschung haben die Aachener Fertigungsmesstechniker in regem Austausch mit den entsprechenden brasilianischen Instituten Bauteile und Platten aus kohlefaserverstärktem Verbundwerkstoff (CFK) in einem kleinen Fallturm des WZL modellhaft mit einem definierten Impuls beschädigt, um die Struktur der Schäden nachvollziehbar zu machen. „Wir haben auch schon einige Demonstratoren, bei denen die Kombination aus CT und Thermografie funktioniert“, betont Schmitt. Bis 2019 wollen die brasilianischen Kolleginnen und Kollegen zudem verschiedene Sensoren entwickeln, die Schadenserkennung mittels einer besonderen Laser-Speckle-Technik, der sogenannten Shearografie, ermöglichen. Dieses gegen Störungen recht unempfindliche Verfahren soll Rückschlüsse auf Unregelmäßigkeiten unter der Bauteiloberfläche zulassen, die zu Verformungen führen können.

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