Numerical and Experimental analysis of interlaminar stresses in bonded composite patch repairs

Moderne Flugzeuge werden zunehmend aus Schichten von synthetischem Gewebe gebaut, das mit Harz getränkt ist – ein Material, das als Verbundwerkstoff bekannt ist. Diese Materialien sind begehrt, weil sie unglaublich stark und dennoch leicht sind, was es Flugzeugen ermöglicht, höher zu fliegen und weniger Treibstoff zu verbrauchen. Doch wie jedes Material können auch sie durch Einschläge oder Belastungen Schaden nehmen, wobei oft verborgene Risse zwischen ihren Schichten oder Löcher entstehen, die die gesamte Struktur schwächen. Wenn ein Flugzeug beschädigt ist, ist der Austausch des gesamten Bauteils teuer und verschwenderisch. Stattdessen wenden Ingenieure oft eine Reparaturtechnik an, bei der ein neues Stück desselben starken Materials über die beschädigte Stelle geklebt wird, ähnlich wie ein Pflaster auf einer Wunde. Die Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass dieser Flicken dem immensen Druck des Fluges standhält, ohne abzublättern oder die darunter liegende Struktur zum Versagen zu bringen.

Ein Forschungsteam von Universitäten aus Algerien und Ruanda setzte sich zum Ziel, genau zu verstehen, wie sich diese aufgeklebten Flicken verhalten, wenn sie auseinandergezogen werden. Sie konzentrierten sich auf die unsichtbaren Kräfte, die dort wirken, wo der Flicken auf die ursprüngliche Platte trifft und zwischen den Schichten des Materials selbst. Um dies zu erreichen, verließen sie sich nicht nur auf die Theorie; sie fertigten physische Proben an, testeten diese in einem Labor und erstellten dann detaillierte digitale Zwillinge dieser Proben, um zu beobachten, wie der Schaden fortschreitet. Ihr Ziel war es, herauszufinden, welche Anordnung der Fasern innerhalb des Flicks am besten ist, damit die Last gleichmäßig verteilt wird, was verhindert, dass der Kleber versagt und die Reparatur auseinanderbricht.

Die Forscher begannen damit, ihre eigenen Proben unter Verwendung von Kohlenstofffasern und einem zähen Epoxidharz herzustellen, einer Kombination, die in der Luftfahrt üblich ist. Sie schnitten diese Proben in spezifische Formen, einige mit einer glatten Oberfläche und andere mit einem in der Mitte gebohrten Loch, um eine Beschädigung zu simulieren. Für die beschädigten Proben brachten sie einen quadratischen Flicken aus demselben Material an, der mit einem speziellen Klebstoff verbunden wurde. Sie testeten diese Exemplare in einer Maschine, die sie auseinanderzog, bis sie brachen, wobei sie sorgfältig maßen, welcher Kraft sie standhalten konnten und wie weit sie sich vor dem Versagen dehnten. Sie untersuchten die Bruchstücke auch unter einem Mikroskop, um genau zu sehen, wie das Material nachgab, wobei sie feststellten, dass die Löcher dazu führten, dass das Material in einer geraden, spröden Linie brach, während die reparierten Stücke ein komplexeres Bruchmuster über mehrere Ebenen hinweg zeigten.

Um die Mechanik hinter diesen Brüchen zu verstehen, wandte sich das Team leistungsstarken Computersimulationen zu. Sie erstellten ein dreidimensionales digitales Modell der reparierten Platte, indem sie diese in Millionen winziger Punkte unterteilten, um die Spannung an jedem Ort zu verfolgen. Sie verwendeten zwei fortgeschrittene Methoden, um das Versagen vorherzusagen. Eine Methode ermöglichte es dem Computer, Risse zu simulieren, die im Material erscheinen und wachsen, ohne dass das Netz neu gezeichnet werden musste, während sich die andere auf die dünne Klebeschicht konzentrierte und modellierte, wie sie sich von der Oberfläche ablösen würde. Sie testeten verschiedene Arten, die Schichten innerhalb des Flicks zu stapeln, wobei sie die Winkel der Fasern variierten, um zu sehen, welche Anordnung die Spannung am besten bewältigt. Sie verglichen Flicken aus Kohlenstofffasern mit denen aus Glasfasern und testeten sie sowohl auf Basisplatten aus Kohlenstoff als auch aus Glasfasern.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Computermodelle hochgradig genau waren und die realen Testergebnisse mit einer Abweichung von weniger als fünf Prozent entsprachen. Dies gab den Forschern die Zuversicht, dass ihre digitalen Werkzeuge zuverlässig vorhersagen können, wie eine Reparatur funktionieren wird. Bei der Analyse der Spannungen innerhalb der reparierten Platten stellten sie fest, dass die Anordnung der Fasern eine enorme Bedeutung hat. In den meisten Konfigurationen konzentrierte sich die Spannung stark in der Mitte des Flicks, direkt um das Loch herum, an dem der Schaden aufgetreten war. Doch eine bestimmte Anordnung stach hervor: Als sie einen Flicken aus Glasfasern auf einer Glasfaserplatte verwendeten und die Schichten in einem spezifischen alternierenden Winkelmuster anordneten, wurde die Spannungsverteilung bemerkenswert gleichmäßig. In diesem optimalen Aufbau sank die Spitzenbelastung auf nur fünf Megapascal, eine signifikante Reduktion im Vergleich zu anderen Designs, bei denen die Spannung dreißig Megapascal erreichte.

Die Studie zeigte auch, dass die Klebeschicht selbst ein kritischer Schwachpunkt ist. Die Simulationen ergaben, dass die höchste Spannung im Klebstoff nicht in der Mitte des Flicks auftrat, sondern an den äußersten Kanten, an denen der Flick endete. Hier ist der Kleber am wahrscheinlichsten dazu neigt, sich abzulösen. Die Forscher fanden heraus, dass die Art des verwendeten Materials für den Flicken und die Basisplatte beeinflusst, wie sich diese Randspannungen verhalten. Beispielsweise war die Spannung an den Kanten recht hoch, wenn ein Kohlenstoffflicken auf einer Kohlenstoffplatte verwendet wurde, aber wenn Glasmaterialien verwendet wurden, waren die Spannungsniveaus im Allgemeinen niedriger und besser handhabbar. Das Team kam zu dem Schluss, dass das bloße Aufkleben eines Flicks nicht ausreicht; die interne Struktur dieses Flicks muss sorgfältig so gestaltet werden, dass sie der Last entspricht, die sie tragen wird. Durch die Wahl der richtigen Faserorientierung und Materialkombination können Ingenieure Reparaturen schaffen, die nicht nur temporäre Lösungen, sondern dauerhafte Lösungen sind, die die Stärke und Sicherheit der Struktur wiederherstellen.