Torsionsrohre aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) werden bereits in diversen technischen Anwendungen eingesetzt und lassen sich mit einigen verschiedenen Fertigungsverfahren produzieren. Diese wirken sich auf die mechanischen Bauteileigenschaften aus, allerdings ist in der Literatur bisher kein systematischer Vergleich des Einflusses mehrerer, verschiedener Herstellungsverfahren auf die mechanischen Kennwerte eines gleichartigen Bauteils bekannt. Dies wird in der vorliegenden Arbeit mittels experimenteller sowie theoretischer Betrachtungen von zylindrischen Rohren mit ±45°-Laminataufbau untersucht. Dabei werden sechs verschiedene Herstellungsverfahren betrachtet, welche unterschiedliche Rohmaterialien vergleichbarer mechanischer Eigenschaften verwenden. Die Fertigung erfolgt zudem mitunter in getrennten Produktionschargen, sodass insgesamt 14 Bauteile verschiedener Herstellungsmethoden miteinander verglichen werden. Die Probekörper werden dazu bei Raumtemperatur und erhöhter Temperatur (80 °C) quasistatisch bis zum Bruch geprüft. Dabei werden ihre Torsionssteifigkeit respektive ihr Schubmodul sowie ihr Bruchtorsionsmoment bestimmt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen große Streuungen in der Torsionssteifigkeit und über- sowie unterschreiten eine theoretische Referenz mit 60 % Faservolumengehalt. Hinsichtlich des Bruchtorsionsmoments liegen die Versuchsdaten jedoch durchweg und bis zu 82 % unter dem Referenzwert. Für die Torsionsrohre mit anisotropem Material ist ein reiner Schubspannungszustand anzunehmen. Dieser führt auf Unidirektionalschichtebene zu faserparalleler Druckspannung, welche ungünstigerweise durch intralaminare Querzugspannung überlagert ist. Die faserparallele Druckfestigkeit wird experimentell stark unterschritten, sodass Festigkeitsbetrachtungen mittels konventioneller Bruchkriterien auf Basis der Schichtspannungen fehlschlagen. Phänomenologische Betrachtungen des Versagens zeigen lokale Schädigungen in Laminatdickenrichtung und weisen auf die Mikrostruktur der Probekörper als dafür verantwortlich hin. Diese innere Struktur wird durch prozessinduzierte Besonderheiten definiert und variiert infolge der unterschiedlichen Fertigungsmethoden. Zu den Besonderheiten zählen deutliche Inhomogenitäten wie Faseransammlungen, Reinharzgebiete, Harzzwischenschichten, Poren sowie insbesondere Fehlorientierungen von Fasersträngen in Laminatdickenrichtung. Der Einfluss der Mikrostruktur auf die Steifigkeit und Festigkeit der Bauteile lässt sich mithilfe von analytischen Berechnungsmodellen untersuchen. Dabei wird eine der Welligkeit angepasste Laminatsteifigkeit und das Versagen druckbelasteter fehlorientierter Faserstränge ermittelt. Das Druckversagen wird unterschieden in die Versagensmodi Schubknicken, einem Spannungsproblem mit Stabilitätscharakter, und interlaminares Grenzschichtversagen, welches Bettungsverlust und Delamination im Laminat bewirkt. Die Versagensmodi sind allerdings nicht eindeutig voneinander zu trennen, weil sie interagieren. Der Vergleich der experimentellen Daten und theoretischen Betrachtungen zeigt, dass die Laminatsteifigkeit durch die mittlere Welligkeit im Bauteil zu korrigieren ist und sich das Bauteilversagen durch die Versagensmodelle beschreiben lässt. Je nach Produktionsmethode respektive Mikrostruktur bestehen unterschiedliche Erwartungen hinsichtlich des Versagensmodus. Das bei erhöhter Temperatur im Vergleich zu Raumtemperatur vorzeitige Bauteilversagen ist mithilfe der Versagensmechanismen anhand der Reduzierung der mechanischen Kennwerte zu erfassen.    «

Torsionsrohre aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) werden bereits in diversen technischen Anwendungen eingesetzt und lassen sich mit einigen verschiedenen Fertigungsverfahren produzieren. Diese wirken sich auf die mechanischen Bauteileigenschaften aus, allerdings ist in der Literatur bisher kein systematischer Vergleich des Einflusses mehrerer, verschiedener Herstellungsverfahren auf die mechanischen Kennwerte eines gleichartigen Bauteils bekannt. Dies wird in der vorliegenden Arbeit mitt...    »