Faser-Kunststoff-Verbund PDF

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Grundlagen...

Description

1. Einführung in die Faser-Kunststoff-Verbunde (KKV) -

Charakterisierung FKV

Faser-Kunststoff-Verbunde:    

bestehen aus zwei oder mehreren Komponenten (Phasen), die nicht ineinander löslich sind, für spezifische Anwendungen optimale Eigenschaften besitzen und makroskopisch quasihomogen sind

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Technische Verbundaufbauten



Grundprinzipien 

Prinzip der Faserform



Prinzip der Einspannlänge



Prinzip der Verbundwirkung

Anwendungsbeispiele Luft- und Raumfahrt Maschinenbau Fahrzeugbau Sportgeräte

Rumpfteile, Stringer-Spanten Walzen->Massenträgheitsmoment, Lehren, Prozessbehälter Fahrgastzellen, Leichtbau-Bodenstrukturen Ski, Golfgeräte, fahrradrahmen

Bootsbau

Bootsrumpf

Vorteile:

hohe Steifigkeit, geringe Masse->Leichtbaupotenzial, integrale Bauweise möglich, gute Formbarkeit, Medienbeständig, hohe Lebensdauer, Korrosionsbeständig

Nachteile:

hoher Berechnungsaufwand, höhere Materialkosten im vgl. zu Metall, unzureichende Erfahrungen im Langzeitverhalten

2. Verbundaufbau/Verstärkungsfasern 

Verbundkomponenten

Kombinieren verschiedener Werkstoffe zur Erzeugung eines Eigenschaftsprofils, welches die einzelnen Komponenten für sich betrachtet. Aufbau:

Fasern: Aufnehmen der Belastungen Matrix: Fixieren und Schützen der Fasern



Einfluss der Faserlänge



Kritische Faserlänge

Die kritische Faserlänge hängt von der Qualität der Haftung ab. Am einfachsten lässt sie sich für den reinen Versagensfall durch Ausmessen der Restfaserlängen von abgebrochen, in Zugspannungsrichtung verstärkten Probekörpern bestimmen. Die maximale auftretende Faserlänge ist dann die kritische.



Richtungsabhängige Eigenschaften



„Fasergerechtes“ Konstruieren heißt: - Faserorientierung erfolgt in Belastungsrichtung - keine Belastung quer zum Faserverlauf

-

Eigenschaften von wesentlichen Verstärkungsfasern



Aufbau der Verstärkungsfasern

Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach größere Festigkeit als in andere Form, und je dünner die Faser, desto größer ist die Festigkeit. Glasfaser:

Kohlenstofffaser:

Aramidfaser:

3. Faser- und textilverstärkte Halbzeuge  Eindimensionale Halbzeuge - Fasern, Rovings (=Bündel von 10.000-20.000 Fasern), Bänder  Zweidimensionale Halbzeuge = Textile Flächengebinde - Wirrmatten (realisierbarer Fasergehalt bis 35%) - Vlies (bis 35%) - Gewebe (35-50%) - Gelege (35-50%) - Geflechte (35-50%) - Gewebe-Komplexe - Gestricke (30-40%)  Dreidimensional - 3D-Gewebe - 3D-Geflechte - Preforms

UD-Gelege: Gelege mit mehreren parallel angeordneten endlosen Rovings (nur eine Faserrichtung) Multiaxialgelege: Mehrere Lagen Gelege mit unterschiedlicher Faserausrichtung; ggf. auch mit unterschiedlichen Faserwerkstoffen und Faserarten sowie in Kombination mit Schnittfasern. Faserrichtungen: -45; 90; +45; 90; 0°

 Prepregs - Duroplastische Prepregs - SMC – Sheet Molding Compound (Glaswirrfasermatten + ungesättigte Polyester als Matrix) - BMC – Bulk Moulding Compound (Glasschnittfaserbrei + ungesättigte Polyester als Matrix) - Thermoplastische Prepregs - Glasmattenverstärkter Thermoplast (Glaswirrmatten + Thermoplastmatrix) - Faserverstärktes Spritzgussgranulat (Glasschnittmatten + Thermoplastmatrix) - Endlosfaserverstärkte Prepregs - Gerichtete Textilhalbzeuge (UD-Gelege oder Multiaxialgewebe) + Anvernetztes Harzsystem (Hoher Volumengehalt, Gute Konstanz der Eigenschaften, Große Wandstärke möglich) - Endlosfaserverstärkte Thermoplast-Prepregs - Gerichtete Textilhalbzeuge (UD-Gelege oder Multiaxialgewebe) + Hochleistungthermoplast Thermoplastische Imprägniertechnologie - Schmelz-, Pulver-, Lösungsmittel- und Filstacking-Imprägnierung  Hybridhalbzeuge Die Bezeichnung Hybrid- betont ein aus unterschiedlichen Arten oder Prozessen zusammengesetztes Ganzes. Die Besonderheit liegt darin, dass die zusammengebrachten Elemente für sich schon Lösungen darstellen, durch das Zusammenbringen aber neue erwünschte Eigenschaften entstehen. Vorteile: - größere Eigenschaftsbandbreite - Substitution teurer Fasern - Definierte Eigenschaftskombination - Verbesserung von Schlagzähigkeit und Dämpfung  Hybridarten: - Faserhybrid (Kombination verschiedener Faserwerkstoffe) - Verbundhybrid (Kombination verschiedener Faser- und Matrixwerkstoffe) - Schichthybrid (Kombination von Schichten mit verschiedenen Fasern)

 Beispiele für Hybidhalbzeuge - Thermoplastisches Hybridgarn (z.B. Getriebewelle aus kohlenstofffaserverstärktem Polyamid mit integrierten Zahnrädern und Wälzlagern aus Metall) - Glasfaserverstärktes Aluminium (Großflächiger Einsatz bei der Außenhülle des A380) - Metall-Matrix-Composite (Metallische Matrix + Faser; z.B. kohlenstofffaserverstärktes Aluminium) - Faserverstärkte Leichtmetalle (z.B. Kohlenstofffaserverstärktes Nickel) - Textilverstärkte Magnesiumverbunde 4. Faserverbund-Bauweisen  Klassifizierung - Differentialbauweise Ein in Differentialbauweise hergestelltes Teil besteht aus mehreren, für sich jeweils vergleichsweise einfach gestalteten Elementen. Die Elemente werden durch Schrauben, Nieten, Kleber oder Verschweißungen zu Bauteilen gefügt. Vorteil:

- einfache Bauteile - einfache Herstellung - einfache und kostengünstige Werkzeuge - geringe Technologieeinschränkung - geringe Ausschusskosten Nachteil: - zusätzliches Gewicht durch Verbindungselemente - zusätzliche Fügeoperationen - zusätzliche Bearbeitung von Einzelteilen - Zusätzliche Material- und Qualitätskontrolle - Integralbauweise Ein in Integralbauweise hergestelltes Bauteil ist in ein zu einem Stück geformtes Einstoff-Bauteil. Mit entsprechenden Technologien wie Gießen, Pressen, Extrudieren oder mittels spanender Bearbeitung können dabei sehr komplizieret Bauteile hergestellt werden. Bauteilgeometrie und Wandstärke sind optimal an den Kraftfluss anpassbar. Hierdurch wird eine sehr homogene Werkstoffausnutzung unter nahezu völligem Ausschluss von Spannungskonzentrationen innerhalb des Bauteils erzielt. Vorteil: - sehr leichte Bauteile - Funktionsintegration möglich - optimale Anpassung an Kraftfluss - Wenig Lastverzweigungsstellen - Hohe Produktivität in automatischen Anlagen

Nachteil:

- komplexe Bauteilform - Aufwendige Werkzeuge - komplexe Ablegeoperationen - teure Herstellungsverfahren

- Integrierende Bauweise Mischung aus Differential- und Integralbauweise Vorteil: - Sinnvolle Begrenzung der Integration - Nutzung positiver Merkmale der Addition und Integration - Einstellbare Bauteilcharakteristik (Kerbwirkung, Rissausbreitung, Korrosion) - Besseres Schädigungsverhalten - Bessere Austauschbarkeit

Sandwichbauweise Die extrem leichte Sandwichbauweise kann im weitesten Sinne als mehrschichtige Flächenstruktur bezeichnet werden. Aufgrund der homogenen Eigenschaften in der Fläche weist sie die Vorzüge einer kontinuierlichen Konstruktion auf. Haut: Aufnahme von Längskräften Kern: Aufnahme von Schubkräften und Sichern der Druckstabilität; möglichst leichte Kerne Einteilung der Kernstruktur: - Homogene Kerne - Kunststoffkern - Schaumkerne - Korkkerne - Papierpressmassen - Strukturierte Kerne - Wabenkerne

- Tubuskerne - Wellenkerne - Abstandsgewebe

Mischbauweise Kombination von festen Metallen (isotrope Stoffe wie Stahl- oder Aluminiumlegierungen) an hochbeanspruchten Stellen und leichten Faserverbundstrukturen (anisotrope Stoffe wie CFK und GFK) als „Lastfernübertragung“. Mischbauweisen erfordern die Entwicklung beanspruchungsgerechter Fügeverfahren. Ziel ist eine Gewichtsersparnis, die Minimierung von Massenträgheitsmomenten und ggf. das Verlagern von Schwerpunkten (bei Fahrzeugen eine Absenkung in Bodennähe)....