Unter die Lupe genommen:CFK-Aluminiumwaben-Sandwichverbunde

Sandwichelemente ermöglichen vor allem für Luft- und Raumfahrtstrukturen, aber auch im erdgebundenen Fahrzeugbau, große Gewichtseinsparungen. Die Steinbeis-Transferzentrum Werkstoffe Korrosion und Korrosionsschutz GmbH in Friedrichshafen entwickelte im Rahmen eines internen Forschungsprojektes eine Systematik, um das Korrosionsverhalten von CFK-Aluminiumwaben-Sandwichverbunden zu untersuchen.

Hierarchie zur mechanischen Bewertung von Sandwichelementen durch die Steinbeis-Transferzentrum Werkstoffe Korrosion und Korrosionsschutz GmbH

Kontinuierlich kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) bestechen im Vergleich zu metallischen Werkstoffen durch herausragende spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten. Aluminiumwaben gehören zu den Klassikern der Leichtbauelemente, die sich über Jahrzehnte hinweg bewährt haben. Die mechanische Verträglichkeit durch abgestimmte Steifigkeiten zwischen CFK-Laminatdeckschichten und Aluminiumwabenkern sind gegeben. Jedoch verhält sich die Werkstoffkombination CFK-Aluminium aus der elektrochemischen Sicht absolut kritisch.

Die notwendige Basis zur qualitativen Beurteilung des CFK-Laminates liefert der interlaminare Scherversuch, der idealerweise durch die Laminatdaten aus dem Längs- und Querzugversuch ergänzt wird. Für die Aluminiumwabe werden die Druckfestigkeit und das richtungsabhängige Schubmodul zur Sandwichauslegung benötigt. Die von den Steinbeis- Experten in Friedrichshafen untersuchten Sandwichproben wurden klebetechnisch mit einem Zweikomponenten-Epoxid-Klebstoff im Autoklavenprozess hergestellt. Als Grundlage der elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen gemäß DIN 50918 diente im Forschungsprojekt die Messung der Elementstromdichte (Kurzschlussstrom) zwischen dem „edlen“ CFK-Laminat und der „unedlen“ Wabenlegierung AlMg5. Die Schnitt- bzw. Sägekanten der verwendeten Komponenten wurden nicht versiegelt. Die Korrosionsversuche der Sandwichelemente erfolgten in Anlehnung an zwei unterschiedliche Prüfmethoden über eine Prüfdauer von 336 Stunden: Die Vorgehensweise nach VDA233-102 dient der zyklischen Korrosionsprüfung von Werkstoffen und Bauteilen im Automobilbau um reproduzierbare Korrosionsbilder zu erzeugen. Abweichend zur VDA-Norm setzte das Steinbeis-Team hier eine 5%-ige Natriumchlorid-Lösung ein. Die zweite Methode - der ISO 9227 Salzsprühnebeltest (5%-ige Natriumchlorid-Lösung, pHWert zwischen 6,5 und 7,2) - wurde zur Schwachstellenanalyse des Korrosionsangriffs im Sandwichelement gewählt. Die mechanische Bewertung des Resttragverhaltens nach Korrosionsbelastung nahmen die Werkstoffspezialisten mit dem Vierpunktbiegeversuch gemäß DIN 53293 vor.

Die mechanischen Kennwerte der Sandwichproben, ermittelt im Vierpunktbiegeversuch, reduzieren sich insbesondere bei den durch den Salzsprühtest ISO 9227 belasteten Proben drastisch gegenüber der Referenz. Durch die Schnittflächen der Probenpräparation werden das Laminat und die Wabenzellstruktur geöffnet. Es entsteht ein direkter Kontakt zwischen Kohlenstofffaserfragmenten und dem AlMg5. Die elektrochemischen Messungen zeigen, dass der Korrosionsfortschritt primär durch die Kontaktkorrosion betrieben entsteht und nicht durch die Eigenkorrosion. Dies erklärt auch gegenüber dem VDA 233-102 die stärker ausgeprägte Korrosion der Wabenzellenstruktur im Salzsprühnebeltest durch die dauerhafte Einwirkung der Elektrolyten. Im Salzsprühtest ISO 9227 erfolgt ein Korrosionsangriff über die gesamte Wabenseitenfläche, während bei den VDA233-102 Proben die Korrosion lokalisiert „CFK-deckschichtnah“ verläuft. Trotz des hohen Magnesiumgehalts von 5% der Waben-Legierung ist die Kontaktkorrosion zum CFK als dominierender Mechanismus anzusehen. Die Steinbeis-Transferzentrum Werkstoffe Korrosion und Korrosionsschutz GmbH besitzt ein über zwei Jahrzehnte fundiertes Wissen auf dem Gebiet der Leichtbauwerkstoffe und Hybridbauweisen. Die entwickelte Vorgehensweise hat sich bestens zur Beurteilung des bauteilnahen Verhaltens hybrider Leichtbaukomponenten unter Korrosionsbelastung bewährt und wird in zukünftigen Entwicklungsprojekten zur Bewertung von Sandwichstrukturen eingesetzt.

Vierpunktbiegeversuch mit eingelegtem CFK-Aluminiumwaben-Hybridsandwichelement
Benjamin Kröger

Kontakt

Benjamin Kröger leitet die Steinbeis- Transferzentrum Werkstoffe Korrosion und Korrosionsschutz GmbH. Zu den Aufgaben des Steinbeis-Unternehmens gehören die Beratung und Unterstützung bei der Werkstoffauswahl, die angewandte Forschung und Entwicklung in den Bereichen der Werkstoffanalytik und –prüfung sowie der Schadensfallanalytik, die Erstellung von Gutachten, Expertisen und Recherchen sowie die Durchführung von Weiterbildungen im Bereich Werkstoffe, Korrosion, Oberflächentechnik und Leichtbau.

Benjamin Kröger
Steinbeis-Transferzentrum Werkstoffe Korrosion und Korrosionsschutz GmbH (Friedrichshafen)
su1863@stw.de

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