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Adhesively bonded composite repairs restoring limit load capacity are not yet certified in civil aviation due to a lack of methods suitable for the substantiation of proper bond quality. In our previous paper, we proposed a novel method for process control to resolve this issue. The core of this bondline control technology is a new type of adhesion test that provides proof of bond quality and simultaneously serves as a robust surface pre-treatment for adhesive bonding. The present study describes improvements implemented in the adhesion test and demonstrates the ability of the test to detect bonding defects. Furthermore, the applicability on stepped surfaces common for repair scenarios is investigated. Finally, a test series on the quality of the surface pre-treatment is presented.

In der vorliegenden Arbeit wird das Thema „Einfluss lagenvariabler Schäftwinkel auf die Verbindungsfestigkeit geklebter Faserverbundreparaturen“ behandelt. Diese Arbeit beschäftigt sich zum einen mit der analytischen und numerischen Simulation von runden, dreidimensionalen Reparaturen in Kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit konstantem und lagenvariablem Schäftwinkel. Zum anderen werden Zugproben gefertigt, um die theoretisch erarbeiteten Erkenntnisse experimentell zu überprüfen. In den analytischen und numerischen Modellierungen der unterschiedlichen Reparaturen wird schlüssig gezeigt, dass mit lagenvariablen Schäftungen tatsächlich Spannungsspitzen vermieden werden können. In den anschließenden Zugversuchen konnte allerdings keine Festigkeitssteigerung ermittelt werden. Zum Abschluss werden die Ergebnisse der numerischen und der experimentellen Untersuchungen gegenübergestellt und diskutiert. Dabei werden mögliche Ursachen für die ausbleibende Festigkeitssteigerung im Zugversuch erläutert.

Im Rahmen dieser Arbeit wird auf Grundlage bereits vorhandener Fertigungsverfahren eine optimierte Methodik zur Herstellung von Probekörpern der Norm AECMA EN6066 entwickelt. Ziel dabei ist es, Parameter zu finden, welche bei der Fertigung der Prüflinge Einfluss auf die Lagenausrichtung, konstante Klebschichtdicke, Lagenversatz, sowie das Entstehen von Lufteinschlüssen haben. Durch die Analyse an verstifteten Proben unter Vakuumaufbau bzw. Pro-ben mit Aluminiumanschlägen (ebenfalls Vakuumaufbau), konnten Abhilfemaßnahmen ermittelt werden, welche die Grundlage für die Entwicklung eines optimierten Fertigungsverfahrens bilden. Da neben den Einflüssen durch verwendete Fertigungsaufbauten bzw. Trennmaterialien wie Abreißgewebe, Trennfolie und Lochfolie die Einstellung einer konstanten Klebschicht von großer Bedeutung ist, wurden hierzu Voruntersuchungen durchgeführt. Die Verstiftung der Prüflinge in vergangenen Untersuchungen zeigte, dass Toleranzen in den Bohrungsdurch-messern großen Einfluss auf die exakte Positionierung der Fügeteile haben. Dies bezüglich wurden verschiedene Bohrungsdurchmesser auf einer Probeplatte angefertigt und anschließend vermessen. Sämtliche Ergebnisse der Voruntersuchungen konnten in den möglichen optimierten Fertigungsverfahren getestet werden. Der bisher verwendete Vakuumaufbau verursachte durch die anliegende, einseitige Druckbelastung oftmals fehlerhafte Lagenausrichtung sowie horizontales und vertikales Verschieben der Fügepartner. Daher wurden Aufbauten mit verstifteten Prüfkörpern unter Vakuumsack experimentell untersucht. Weitere Parameter, wie die Wärmedehnung der Aluminiumanschläge sowie das Verhindern der einseitigen Druckbelastung auf die obere Schäftspitze konnte durch weitere Verfahren validiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fertigung von verstifteten Probekörpern unter Vakuumsack die gewünschten Fertigungsparameter ausreichend erfüllen können. Hierbei findet außerdem eine Variation zwischen der Verwendung von Abreißgewebe und Trennfolie zur Umwicklung statt. Die abschließende Bewertung der Ergebnisse bietet Grundlage für zusätzliches Verbesserungspotential zur Entwicklung eines optimierten Fertigungsverfahrens und gibt einen Ausblick auf weitere Forschungsthemen.

Die in der Luftfahrt stetig zunehmende Verwendung von CFK geht mit einem steigenden Risiko einer Beschädigung einher, was zu erhöhtem Reparaturbedarf führt und folglich eine genaue Be-trachtung und Verbesserung der bisherigen Reparaturverfahren erfordert. Als Alternative zu genie-teten Reparaturen haben sich für kosmetische Reparaturen und Reparaturen an Sekundärstrukturen aus CFK geklebte, geschäftete Reparaturen durchgesetzt. Als ein Aufgabengebiet des Projekts CAIRE, sollen am DLR mittels computergestützter Fräsbearbeitung geschäftete Reparaturen an CFK-Laminaten hergestellt werden, die durch eine lokale Anpassung des Schäftwinkels an die unterschiedlichen Lagenorientierungen eines Laminats geomet-risch und spannungsmechanisch optimiert sind. Dies verspricht höhere Verbindungsfestigkeiten und Bruchspannungen, da vor allem die bei konstantem Schäftwinkel an den Ausläufen entstehenden Spannungsspitzen reduziert werden. Im Verlauf dieser Arbeit wurde der genannte Effekt mittels analytischer, numerischer und experi-menteller Betrachtung untersucht und nachgewiesen. Gleichzeitig wurden die Einflüsse von Temperatur- und Feuchtigkeit, sowie der Klebschichtdicke näher betrachtet.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss lagenvariabler Schäftungswinkel auf die Verbindungsfestigkeit geklebter Faserverbundreparaturen untersucht. Zunächst werden die Grundlagen herkömmlicher CFK-Reparaturverfahren und insbesondere die Vorteile geklebter Schäftungsverbindungen bei Zugbelastung vorgestellt. Bei Schäftungen zweier orthotroper Fügepartner entstehen im Gegensatz zu isotropen Werkstoffen versagensinitiierende Schubspannungsspitzen in der Klebschicht. Anhand einfacher mechanischer Modelle wird gezeigt, dass durch eine lagenvariablen Schäftungswinkeländerung diese Spannungsspitzen reduziert werden können. Dazu wird eine von der Steifigkeit der Lagen abhängige ideale Schäftungsgeometrie erstellt. Mithilfe einer Finite-Elemente-Simulation werden verschiedene variable Schäftungsgeometrien untersucht. Zunächst steht dabei die Analyse des Einflusses einzelner Parameter auf den Schubspannungsverlauf in der Klebschicht im Vordergrund. Es werden die Auswirkungen verschiedener Winkeländerungen, Laminataufbauten, Klebschichtgeometrien und erhöhter Umgebungstemperaturen untersucht. Zusätzlich werden die Zugfestigkeiten der einzelnen Geometrien ausgewertet. Ein weiteres Potential der variablen Schäftung besteht in der Verkürzung der Reparaturlänge. Inwiefern dies möglich ist, wird ebenfalls mithilfe der FEM untersucht. Ausgehend von den numerischen Ergebnissen wird ein Couponprobenprogramm zur Prüfung der Schäftungsgeometrien mittels Zugversuch erstellt. Dabei können die in der Simulation gezeigten Tendenzen bestätigt werden. Außerdem wurde eine Korrelation zwischen der Fertigungsqualität der Probekörper und Versagenseintritt festgestellt.