Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6779

Beiträge zur Optimierung von Faserverbunden nach dem Vorbild der Natur

Markus Ledermann

Zusammenfassung
Die Faserverbunde sind aufgrund ihrer sehr hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten die idealen Werkstoffe für Leichtbaukonstruktionen. Um dieses Potential jedoch ausschöpfen zu können, muss eine Leichtbaukonstruktion nicht nur eine möglichst optimale äußere Form besitzen, sondern auch die innere Struktur muss den anisotropen Eigenschaften der Faserverbunde angepaßt sein. In beidem, sowohl bei der äußeren Form, als auch bei der inneren Struktur, können die Bäume Lehrmeister des Ingenieurs sein. Untersuchungen zeigen, dass ein Baum ähnliche Versagensmechanismen aufweist wie ein technischer Faserverbund. Aus diesem Grund können auch die Gegenmaßnahmen, die der Baum ergreift, um dieses Versagen bestmöglich zu verhindern, auf technische Faserverbundbauteile übertragen werden. Die werkstoffkundliche und holzanatomische Untersuchung des Holzes, das der Baum speziell gegen das drohende Versagen gebildet hat, liefert daher das Vorbild für die Optimierung technischer Faserverbundbauteile. Auf dieser Grundlage entstanden verschiedene Optimierungsansätze, mit deren Hilfe sich die Festigkeit technischer Faserverbundbauteile signfikant erhöhen läßt.

Contributions to the Optimization of Technical Fibre Reinforced Composites according to the Example of Nature

Abstract
Due to their extremly high specific stiffness and strength, fibre reinforced composites are the ideal materials for lightweight constructions. Because of their anisotropic mechanical properties, not only their external design, but also their internal structure has to be optimized in order to take fully advantage of these properties. Therefore the wood of trees is a good example for both, external and internal optimization. Studies indicated, that failure mechanisms of trees are similar to those of technical fibre reinforced composites. Hence the mechanisms of the trees to prevent these failures can be applied to optimize technical fibre reinforced composites. Based on the investigations of the mechanical properties and the anatomy of the wood several optimization methods have been developed to increase the strength of components of technical fibre reinforced composites.

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