Werkstoffeigenschaften handlaminierter Faserverbundkunststoffe, erfasst in realen und virtuellen Laboren der Mechanik unter Einsatz von Methoden zur Wissensorganisation (PDF)

Faserverbundkunststoffen faszinieren aufgrund ihres enormen Leichtbaupotenzials, das sie jedoch nur bei belastungsprofilgerechter Faseranordnung ausschöpfen. Der Verbund entsteht erst während der Herstellung eines Bauteils und weist durch sein lokal unterschiedliches Materialverhalten und den schichtweisen, richtungsabhängigen Aufbau ein hochkomplexes Werkstoffverhalten auf, was die Auslegung einer solchen Konstruktion erschwert.
Es wurde in dieser Forschungsarbeit eine experimentelle Methodik basierend auf dem Prinzip der Photogrammetrie entwickelt und dokumentiert, mittels derer die für die rechnerische Auslegung wesentlichen elastischen Werkstoffkennzahlen des Gesamtlaminats bestimmt werden können. Dabei wurden im Handlaminierverfahren hergestellte Faserverbundkunststoffe, bestehend aus Fasergeweben eingebettet in Epoxidharzmatrix, untersucht. Mit den nach diesem Verfahren erzielten experimentellen Ergebnissen liegt ein umfassendes Datenmaterial für die vier untersuchten gängigsten Fasermaterialien Glas, Kohlenstoff, Aramid und Basalt vor, das verglichen mit theoretischen Vorhersagen eine materialabhängig unterschiedlich gute Übereinstimmung ergibt. Abschließend wurde eine Online-Lehr- und Lernplattform mit integrierten virtuellen Laboren für die Ingenieursausbildung konzipiert und realisiert, in die die zusammengetragenen Erkenntnisse aus Experiment und Laminattheorie einflossen. Die Lernumgebung namens E-MechLAB dient gleichermaßen als Ausgangspunkt zum Erschließen des Wissensgebiets wie auch als Nachschlagewerk zur Vertiefung.
Das generelle Thema dieser Arbeit ist die Mechanik faserverstärkter Kunststoffe und zwar sowohl vom experimentellen als auch theoretischen Standpunkt aus. Drei Aspekte werden zusammengebracht, die in den Kapiteln 2, 3 und 4 ausgeführt werden.
Kapitel 2 mit der Überschrift „Mechanik und reale Labore – Experimentelle Bestimmung elastischer Materialeigenschaften faserverstärkter Kunststoffverbundwerkstoffe unter Einsatz optischer Feldmessverfahren“ beschreibt die Herstellung der faserverstärkten Materialien per Handlaminierverfahren und die Methode der Photogrammetrie, die eingesetzt wurde, um die mechanischen Kenndaten experimentell zu ermitteln. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Zusammenstellung der Eigenschaften der Ausgangsmaterialien gelegt, die Messmethode der Photogrammetrie wird angerissen und die Versuchsauswertung zur Bestimmung des Elastizitäts- und Schubmoduls sowie der Querkontraktionszahl für anisotrope Werkstoffe nach DIN beschrieben. Der Kunststoff (Epoxidharz) wurde mit Aramid-, Basalt-, Glas- und Kohlenstofffasergeweben verstärkt.
In Kapitel 3 „Theorie zum Labor – Einführung in die Laminattheorie und Vergleich mit Experimenten“ werden vornehmlich die Grundlagen der Laminattheorie erklärt. Besondere Betonung wird dabei auf eine Darstellung im Sinne der Rationalen Mechanik gelegt. Das Kapitel ist darüber hinaus dem Vergleich zwischen experimentellen und theoretischen Ergebnissen gewidmet. Dabei werden gelegentlich auftretende Diskrepanzen identifiziert und interpretiert.
Kapitel 4 „Mechanik und virtuelle Labore – neue Lehrmethoden für eine traditionsreiche Wissenschaft“ geht über den Inhalt einer „regulären“ Dissertation hinaus. Hier wird erfolgreich gezeigt, wie die experimentellen und theoretischen Ergebnisse der vorangegangenen Kapitel in virtuellen Laboren für die Ingenieurausbildung, für den Laien wie auch den fortgeschrittenen Ingenieur, der sich mit Faserverbundwerkstoffen beschäftigt, multimedial ansprechend aufbereitet und dargestellt werden können. Von Erfahrungen aus öffentlich geförderten Projekten wird berichtet, Lehrkonzepte diskutiert und ihre Umsetzung zu E-Learning-Inhalten am konkreten Beispiel demonstriert. In diesem Zusammenhang ist die der schriftlichen Dissertation beigefügte DVD besonders zu erwähnen, auf der die vorgestellten virtuellen Labore zum praktischen Einsatz zur Verfügung stehen.