Hybride Fügeverfahren für die Reparatur faserverstärkter Kunststoffe. Hybrid Joining Technologies for the Repair of Composites

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1 Hybride Fügeverfahren für die Reparatur faserverstärkter Kunststoffe Hybrid Joining Technologies for the Repair of Composites Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Philipp Abel Berichter: Univ.-Prof. Professor h. c. (MGU) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kai-Uwe Schröder Tag der mündlichen Prüfung:

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3 Textiltechnik/Textile Technology herausgegeben von Univ. Prof. Professor h. c. (MGU) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries Philipp Abel Hybride Fügeverfahren für die Reparatur faserverstärkter Kunststoffe Shaker Verlag Aachen 2017

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2016) Copyright Shaker Verlag 2017 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Teile dieser Arbeit basieren auf den Ergebnissen der von mir betreuten studentischen Arbeiten. Eine bibliographische Auflistung befindet sich am Ende des Literaturverzeichnisses.

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7 Vorwort Die Vorliegende Dissertation entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University in den Jahren 2011 bis Wesentliche Teile des Inhalts wurden im Rahmen des Forschungsprojekts Reparatur struktureller Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff mit zusätzlicher Vernähung der Fügestelle - StructRepair+ erarbeitet, welches in Kooperation zwischen dem ITA und dem Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau der HAW Hamburg von 2013 bis 2016 durchgeführt wurde (IGF-Vorhaben Nr.: N). Während der Promotionszeit haben mich viele Menschen in unterschiedlichster Weise unterstützt. Professor Thomas Gries danke ich für die Betreuung der Promotion. Die Verbindlichkeit unserer Absprachen zum Inhalt dieser Arbeit haben mir in der schwierigen Phase der Fertigstellung stets klare Leitlinien gegeben. Professor Kai-Uwe Schröder danke ich für die fachlichen Anmerkungen und für die Erinnerung an die einen oder anderen Grundlagen der Mechanik. Ein besonderer Dank gilt Markus Linke, der meine Promotion von den ersten Schritten am Institut bis zur Doktorprüfung begleitet und in vielfältiger Weise unterstützt hat. Danken möchte ich auch den vielen Kollegen am Institut, die durch fachliche Diskussion zum Inhalt dieser Dissertation beigetragen haben. In den Monaten des Schreibens war es besonders Christian, der mir wie kein anderer Kollege geholfen hat, am Ball zu bleiben. Ohne meine Studenten, die in ihren Arbeiten Teilaspekte dieses umfangreichen Projekts untersucht haben und als Hiwis oder Praktikanten unermüdlich Proben gefertigt haben, wäre diese Arbeit nicht denkbar. Auch ihnen gilt mein besonderer Dank. Meinen Eltern danke ich besonders dafür, dass sie während der langen Durststrecken auf dem Weg durch Studium und Promotion stets hinter mir standen. Und schließlich: Ohne Simones Motivation, Geduld und tatkräftige Hilfe wäre diese Arbeit wohl heute noch nicht fertig. Sie hat während der Fertigstellung viel ertragen müssen und ich wünsche mir, ihr bei ihrer Arbeit eine ebensolche Stütze sein zu dürfen, wie sie es für mich gewesen ist.

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9 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 5 2 Fügeverfahren für Faserverbundwerkstoffe Mechanische, kraft- und formschlüssige Fügeverfahren Klebeverbindungen faserverstärkter Kunststoffe Hybride Fügeverfahren im Leichtbau 13 3 Reparatur faserverstärkter Kunststoffe Schäden an FVK-Bauteilen Reparaturprozess für monolithische Bauteile Schadenserkennung Materialabtragende Vorbehandlung der Reparaturstelle Fügeverfahren für die Reparatur Reparaturverfahren für Kernverbundbauteile Anwendungsspezifische Anforderungen an die Reparatur Luftfahrt Windkraft Bootsbau und Marineanwendungen Bewertung zum Stand der Technik der FVK-Reparatur 36 4 Zielsetzung und Lösungsweg Technische Entwicklungsziele Methodisches Vorgehen und Struktur der Arbeit Einordnung der Arbeitsinhalte in Technologiereifegrade 41 5 Potenzialbewertung Ansätze zur Weiterentwicklung der geklebten Reparatur Oberflächenvorbehandlung Geometrie Automatisierung und integrierte Qualitätssicherung 45

10 II Inhaltsverzeichnis Hybridisierung Bewertung der technologischen Ansätze Ex-ante-Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Beschreibung der betrachteten Szenarien Kostenmodell zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit eines neuen Reparaturverfahrens Kostenstruktur der hybriden Reparatur Weitere Faktoren für den wirtschaftlichen Erfolg eines Reparaturverfahrens 60 6 Entwicklung der Fertigungstechnik Beschreibung des Fertigungsverfahrens und Festlegung der zu untersuchenden Parameter Fertigung textiler Reparaturpflaster Einbringen der Nahtlöcher Bohren für Probenfertigung Bohren in der mobilen Anwendung Einbringen des Verstärkungsrovings Schädigung der Verstärkungsfasern Verschiebung von Nähfaden und Reparaturpflaster im Nähprozess Nahteinbringung mit einseitigem Zugang Imprägnierung von Reparaturpflaster und Verstärkung Vakuuminfusionsverfahren für Couponproben Vakuuminfusionsverfahren für Probenplatten Übertragbarkeit auf die mobile Reparatur Zusammenfassung der Untersuchungen zur Fertigungstechnik 89 7 Untersuchungen zur Strukturmechanik Untersuchungsraum und Prüfplan Vorgehen zur strukturmechanischen Untersuchung Festlegung der festen und variablen Parameter der Fügung 93

11 Inhaltsverzeichnis III 7.2 Anpassung und Entwicklung von Prüfungen zur Charakterisierung der Reparatur Biegeprüfung für Coupons Druckprüfung für Probenplatten Auslegung genieteter Vergleichsfügungen Numerische Berechnung textilverstärkter Hybridfügungen Aufbau des Finite Elemente-Modells Durchgeführte Rechnungen und Parameterstudien Ergebnisse der strukturmechanischen Untersuchungen Einflüsse von Material und geometrischen Parametern Einfluss der zur Verstärkung eingebrachten Fasermenge Untersuchung der Verformung in der Fügestelle Einfluss der Oberflächenbehandlung mit Atmosphärendruckplasma Vergleich mit der hybriden Fügung aus Klebung und Niet auf Couponebene Ergebnisse der Versuche auf Elementebene Gewicht der Reparatur Zusammenfassung der Untersuchungen zur Strukturmechanik Technische Bewertung der hybriden Reparatur Beschreibung der zu bewertenden Reparaturverfahren für die betrachteten Szenarien Die hybride Reparatur Vergleichsreparaturen nach Stand der Technik Abschließende technische Bewertung Bewertungskriterien und Gewichtung Ergebnis der technischen Bewertung Wirtschaftliche Bewertung der hybriden Reparatur Prozesszeiten für die untersuchten Reparaturverfahren Berechnung der direkten Prozesskosten für die betrachteten Reparaturverfahren 138

12 IV Inhaltsverzeichnis 9.3 Berechnung der Ausfallkosten für die betrachteten Szenarien Gesamtkosten der betrachteten Reparaturverfahren Kosten der hybriden Reparatur bei Ausschöpfung des aufgezeigten Entwicklungspotenzials Zusammenfassung Ausblick Erforderliche strukturmechanische Untersuchungen Notwendige Weiterentwicklung der Fertigungstechnik Übertragbarkeit auf weitere Anwendungen und langfristige Effekte English Summary Literaturverzeichnis Anhang Definition der Technologiereifegrade Prüfvorschriften zu den entwickelten Prüfungen Punkt-Biegeprüfung Plattendruckprüfung Kostenstruktur der FVK-Reparatur Prozesszeiten für Grundmaterial CFK 178