Das Projekt Ker_Twk_Lifing, das vom 1. Januar 2018 bis zum 31. März 2021 lief und unter dem Förderkennzeichen 20T1724E finanziert wurde, war ein gemeinsames Projekt zur Erstellung zuverlässiger, zeitabhängiger Lebensdauervorhersagemodelle für faserverstärkte Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMCs), die für den Einsatz in ungekühlten Passagierturbinentriebwerken vorgesehen sind. Das Konsortium wurde von der MTU Aero Engines AG geleitet, wobei die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH, die FAG (Schaeffler Gruppe), das Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Fraunhofer-Gesellschaft ergänzende Expertise in den Bereichen Werkstoffe, Herstellung, Prüfung und numerische Modellierung einbrachten.
Die technische Arbeit konzentrierte sich auf die Einbeziehung von Kriech-, Nachoxidations- und Korrosionseffekten, die das 1000-1150 °C Betriebsfenster von CMCs dominieren. Eine umfassende Literaturrecherche ergab zwei Kriechformulierungen, die sich für die Integration in kommerzielle Finite-Elemente (FE)-Tools eignen. Bei dem ersten handelt es sich um ein isotropes Modell, das direkt in die ANSYS Workbench-Umgebung eingebettet werden kann, während das zweite Modell Tsai-Hill-Spannungskomponenten zur Erfassung der Anisotropie verwendet und für die Implementierung in ABAQUS ein eigenes FORTRAN-Unterprogramm erfordert. Beide Modelle wurden mit Hilfe der AP3 Anpassungsroutine gegen verfügbare Ox/Ox Materialdaten kalibriert und mit speziellen Kriechproben validiert.
Um die Machbarkeit zu demonstrieren, implementierte das Forschungsteam das zeitunabhängige Schädigungsmodell in ABAQUS und verglich die simulierten Spannungs-/Dehnungskurven mit experimentellen Zugversuchen für 0°/90° Faserausrichtungen bei Raumtemperatur. Die Ergebnisse zeigten eine ausgezeichnete Übereinstimmung und bestätigten, dass das Modell das Materialverhalten sowohl in 2-D- als auch in 3-D-Analysen reproduziert. Stabilitätstests mit einem hochdichten Netz von 10 000 Elementen bestätigten die numerische Robustheit. Ein ähnlicher Vergleich wurde für das Scherverhalten durchgeführt, das aus ±45°-Zugversuchen abgeleitet wurde. Auch hier zeigte sich eine enge Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment.
Über die Modellentwicklung hinaus hat das Projekt diese Materialbeschreibungen in eine vollständige Konstruktionsmethodik übersetzt, die auf Komponentenebene angewendet werden kann. Dieser Arbeitsablauf wurde in die bestehende Konstruktionskette von MTU integriert und ermöglicht es den Herstellern, CMC-Teile für eine höhere Motoreffizienz zu optimieren und gleichzeitig die Einhaltung der Betriebsfestigkeitsanforderungen zu gewährleisten. Das erwartete Ergebnis ist eine deutliche Senkung des Kraftstoffverbrauchs und ein Wettbewerbsvorteil für Motorenhersteller.
Die Zusammenarbeit förderte auch eine breitere Wirkung auf den deutschen CMC-Sektor. Durch die Erstellung des ersten nationalen Materialmodells für zeitabhängiges CMC-Verhalten legte das Projekt den Grundstein für künftige Forschung und industrielle Anwendung. Das kombinierte Fachwissen der Partner – die Materialwissenschaft von Fraunhofer, die Fertigungskenntnisse von Schunk und FAG sowie die fortschrittliche FE-Modellierung des DLR – stellte sicher, dass die entwickelten Modelle sowohl wissenschaftlich robust als auch praktisch anwendbar sind. Die Ergebnisse des Projekts wurden in mehreren von Experten begutachteten Publikationen veröffentlicht, wodurch die Wissensbasis für das CMC-Design in der Hochtemperatur-Luftfahrt weiter gestärkt wurde.