Predicion of Elastic Properties of Carbon Plastics Obtained by Vacuum Bag Resin Infusion and Direct Prepreg Pressing Technologies

Technische Zusammenfassung: Vorhersage der elastischen Eigenschaften von Kohlenstoffkunststoffen, hergestellt durch Vakuum-Infusionsverfahren und direktes Prepreg-Pressen

Problemstellung
Die Entwicklung fortschrittlicher biomedizinischer Strukturen, insbesondere energie-speichernder und -abgebender (ESR) Fußprothesen, erfordert kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), die präzise Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften aufweisen. Diese Komponenten müssen signifikante Lasten (bis zum Vierfachen des Körpergewichts des Patienten) tragen, während sie gleichzeitig ein minimales Gewicht und eine vorhersagbare Verformung (5–20 mm Auslenkung) beibehalten. Eine kritische Herausforderung liegt in der Auswahl der geeigneten Fertigungstechnologie und der räumlichen Anordnung der Komponenten, um diese spezifischen elastischen Eigenschaften zu erreichen. Während das Vakuum-Infusionsverfahren (VBRI) und das direkte Prepreg-Pressen (DPP) weit verbreitet sind, besteht ein Bedarf an einem Vergleich ihrer resultierenden mechanischen Eigenschaften sowie einer Validierung von Homogenisierungsmodellen zur Vorhersage der effektiven Elastizitätsmoduln der resultierenden orthotropen Materialien.

Methodik
Die Studie verwendete einen vergleichenden Ansatz, der sowohl experimentelle Tests als auch analytische Vorhersagen umfasste:

• Probenpräparation: Fünf Serien von CFK-Proben wurden unter Verwendung zweier unterschiedlicher Technologien hergestellt:

  • VBRI: Verwendung von Kohlenstoffgeweben (T300 Twill, T700 unidirektional) und einem Epoxidharzsystem (EPR320 + EPH550).
  • DPP: Verwendung von präimprägnierten Kohlenstoffgeweben (YZ-05 T700 Twill und unidirektional), die in einer Hydraulikpresse gepresst wurden.
  • Die Proben wiesen variierende Schichtaufbauschemata (Mischungen aus unidirektionalen und Twill-Geweben) auf, um eine Zieldicke von etwa 4 mm zu erreichen. Die Faservolumenanteile wurden basierend auf Dichtemessungen berechnet, wobei die DPP-Proben höhere Verstärkungsgrade (bis zu 69 %) im Vergleich zu den VBRI-Proben (ca. 50–52 %) aufwiesen.

• Experimentelle Prüfung:

  • Einaxialer Druckversuch: Durchführung auf einer Instron 8801 Maschine (ASTM D3410), um die Druck-Elastizitätsmodule zu bestimmen.
  • Drei-Punkt-Biegeversuch: Durchführung auf einer TestSystems UTS-111.2-10-12 Maschine (ASTM D790), um die Biege-Elastizitätsmodule zu bestimmen.
  • Die Tests wurden an den Serien N1, N3, N5, N7 und N19 durchgeführt, wobei die Elastizitätsmodule aus dem linear-elastischen Bereich der Spannungs-Dehnungs-Diagramme berechnet wurden.

• Analytische Vorhersage:

  • Ein zweistufiger Mittelungsverssatz basierend auf der klassischen Laminattheorie wurde angewendet.
  • Mikromechanische Ebene: Die Elastizitätsmodule der einzelnen Schichten wurden durch Mittelung der Faser- und Matrixeigenschaften unter Verwendung der Voigt- (Mischungsregel) und Halpin-Tsai-Modelle berechnet.
  • Makromechanische Ebene: Die Eigenschaften der geschichteten Struktur wurden durch Mittelung der Koeffizienten des verallgemeinerten Hookeschen Gesetzes unter Berücksichtigung der Faserorientierungswinkel und der Schichtdicke ermittelt.

Hauptergebnisse

• Einfluss der Fertigung: Mit direktem Prepreg-Pressen (DPP) hergestellte Proben wiesen konsistent höhere Elastizitätsmodule und Zugfestigkeiten auf als solche, die mittels Vakuum-Infusion (VBRI) hergestellt wurden. Dies ist auf den höheren Kohlenstofffaser-Volumenanteil in den DPP-Proben (ca. 63–69 %) gegenüber den VBRI-Proben (ca. 50–52 %) zurückzuführen.
• Biegen vs. Druck: Es wurde eine signifikante Diskrepanz zwischen den Belastungsmodi beobachtet. Die Druck-Elastizitätsmodule lagen etwa halb so hoch wie die Biege-Elastizitätsmodule derselben Serie, und die Bruchdehnungen waren im Druck um das 1,5- bis 2,5-fache höher.
• Modellgenauigkeit:
  • Biegen: Das analytische Modell zeigte eine angemessene Korrelation mit den experimentellen Biegedaten für die Serien N1, N3, N5 und N7, neigte jedoch dazu, die Werte zu überschätzen (Differenzen zwischen 5 % und 32 %). Die Halpin-Tsai-Korrektur änderte die Vorhersagen für hochkonzentrierte unidirektionale Schichten, die entlang der Belastungsachse orientiert waren, nicht signifikant.
  • Druck: Das Modell zeigte erhebliche Einschränkungen bei der Vorhersage des Druckverhaltens. Die Abweichungen zwischen den berechneten und experimentellen Druckmoduln waren beträchtlich (die Berechnungen lagen um das 1,5- bis 2,3-fache höher).
  • Ausnahme (Serie N19): Die N19-Serie, die durch einen hohen Anteil an Twill-Gewebe und 45°-Faserorientierungen charakterisiert ist, zeigte ein einzigartiges Ergebnis, bei dem die berechneten und experimentellen Druckmodule nahezu übereinstimmten (4 % Differenz), obwohl die Biegevorhersage ungenau blieb (80 % Differenz).

Bedeutung und Schlussfolgerungen
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass sequentielle Mittelungsmodelle (kombiniertes Voigt- und Halpin-Tsai-Modell mit klassischer Laminattheorie) die Biege-Elastizitätsmodule von orthotropen CFK-Werkstoffen für spezifische Schichtaufbauschemata mit einer Genauigkeit von mindestens 35 % vorhersagen können, jedoch eine begrenzte Anwendbarkeit für die Vorhersage der Druckeigenschaften besitzen. Die signifikante Abweichung in den Druckergebnissen deutet darauf hin, dass aktuelle Homogenisierungsmodelle die Heteromodalität (unterschiedliche Moduli in Zug vs. Druck) und spezifische mikrostrukturelle Heterogenitäten nicht ausreichend berücksichtigen.

Die Autoren stellen fest, dass sowohl VBRI- als auch DPP-Technologien geeignet sind, um strukturelle Elemente für Fußprothesen herzustellen, sofern der Kohlenstofffasergehalt ausreichend hoch ist. Für das präzise Design biomedizinischer Komponenten ist die alleinige Nutzung von Standard-Homogenisierungsmodellen für die Drucksteifigkeit jedoch unzureichend. Zukünftige Verbesserungen der Vorhersagegenauigkeit erfordern Modelle, die Schichtabfolgen, Gewebetypen und distinkte Zug-Druck-Verhaltensweisen einbeziehen, ergänzt durch weitere experimentelle Charakterisierungen unter einaxialer Zug- und Torsionsbelastung.