Zusammenfassung Leichtbau mit Faserverstärkten Werkstoffen

Zusammenfassung Leichtbau mit Faserverstärkten Werkstoffen

Kapitel 0: Vorwort

Werte Kolleginnen und Kollegen,

diese Zusammenfassung wurde von mir mit großer Sorgfalt geschrieben und beinhaltet einen Umfang, der nicht ganz ohne ist. Ich habe mich bemüht die 1015 Folien so kurz wie nötig, aber auch so genau als möglich zusammenzufassen. Kleiner Hinweis an dieser Stelle: Kapitel 7 dieser Zusammenfassung ist NICHT mehr Prüfungsstoff.

Den Besuch der Vorlesung kann ich wärmstens empfehlen. Prof. Skarna-Jakl ist sehr motiviert und engagiert. Zu fast jeder Vorlesung nimmt sie diverse faserverstärkte Werkstoffe und Bauteile mit, die dann durchgegeben werden.

Soweit möglich, habe ich Prüfungsfragen in der Zusammenfassung extra notiert.

Viel Erfolg bei der Prüfungsvorbereitung und bei der Prüfung!

Kapitel 1: Faserverstärkte Werkstoffe – Überblick

–Konstruktionswerkstoffe: Werkstoffe, die im Einsatz vorwiegend mechanischer Belastung ausgesetzt sind

–Einteilung natürliche Verbundwerkstoffe:

 Pflanzliche Composite Strukturen (z.B. Holz, Fächerpalme)

 Organische Composite Strukturen (z.B. Insektenpanzer, Knochenmaterial) –Holz:

 Verstärkungsmaterial: mikrofasrige Cellulose (FaserØ = 10-25 nm)

 Matrixwerkstoff: Lignin und amorphe Hemizellulose

 Struktur:

 Holzzellen: Länge ~2 mm, Ø 50 µm; parallel zur Baumachse ausgerichtet

 Primärwand: unregelmäßiges Netzwerk aus Mikrofasern

 Sekundärwand: 3 separate Lagen

 S1: links- und rechtsorientierte, spiralförmig verwundene Mikrofasern

>55° zur Zellenachse

 S2: dickste Lage, übernimmt Hauptteil der Last, Mikrofasern rechtsorientiert spiralförmig 10-40° zur Zellenachse

 S3: links-oder rechtsorientierte Mikrofasern 10-60° zur Zellenachse

 Lumen: Zentralkern  Nährstofftransport –Insektenpanzer (Kutikula):

 Epikutikula (0,1-10 µm): reguliert Wasserhaushalt und Temperatur

 Prokutikula (10-200 µm): besteht aus Chitinfasern und verantwortlich für Festigkeit des Insektenpanzers; besteht aus:

 verhärteter Prokutikula (Exokutikula)

 unverhärteter Prokutikula (Endokutikula)

 Epidermalzellen –Knochenmaterial

 Außenhaut (Kompakta): lamellar, parallel ausgerichtet; Unterscheidung in Osteonen und Generallamellen; Lamellen werden mit Hydroxylapatitpartikeln verstärkt

 Spongiosa: innere zelluläre Struktur

–Gründe und Ziele des Leichtbaus: Materialeinsparung und Masseneinsparung –Mittel und Wege zur Reduktion der Bauteilmasse im Leichtbau:

 Materialauswahl

 Materialkombinationen

 Konstruktive Maßnahmen

 Verbindungselemente

 Berechnungsverfahren

 Steigerung der Herstellungsqualität –spezifische Festigkeit/Steifigkeit: bezogen auf Materialgewicht (oder Materialdichte)

 hohe spez. Festigkeits-/Steifigkeitswerte der Faserverstärkten Werkstoffe begründen ihren Einsatz als Leichtbaumaterialien!

 spez. Steifigkeit und spez. Festigkeit sind repräsentative Werkstoffkenngrößen im Leichtbau

–Definition Verbundwerkstoffe (Composites):

 Werkstoffkombination aus zwei oder mehreren verschiedenartigen Materialien (Partikel/Fasern, Matrix)

 Bestandteile haben klar erkennbare Grenzflächen

 Materialeigenschaften können nach Bedarf ausgelegt werden und sind besser als die Eigenschaften der Einzelmaterialien

–Verstärkungsphase:

 topologisch nicht zusammenhängend

 hohe Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften

 tragende Funktion im Werkstoff –Matrix:

 topologisch zusammenhängend

 gewährleistet Zusammenhalt und Formhaltigkeit des Verbundes –Grenzflächen (Interfaces):

 bilden Trennfläche zwischen zwei physikalisch unterschiedlichen Medien

 bestimmen die Qualität der Bindung und gewährleisten Spannungsübertragung zwischen Faser und Matrix

–Zwischenphasen (Interphasen): aufgrund chemischer Reaktionen zwischen Verstärkungsmaterial und Matrix bzw. aus herstellungstechnischen Gründen benötigt

–Klassifizierung von Verbundwerkstoffen:

 nach zum Einsatz kommender Matrixmaterialien

 Polymer Matrix Composites

 Metall Matrix Composites

 Keramik Matrix Composites

 Carbon/Carbon Composites

 nach Typ bzw. Geometrie der Verstärkungsphase

 Partikelverstärkte Verbundwerkstoffe (wahllos verteilt)

 Kurzfaser- & Langfaserverstärkte Verbundwerkstoffe:

 L/d = 10-10000; Lkurz = 0,1-1 mm; Llang = 1-50 mm

 unidirektional oder wahllos verteilt

 Endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoffe: L/d = ∞

 Faseranordnung Laminateinzelschicht: unidirektional, verwoben, wahllos

 Faseranordnung Laminat: unidirektional, rechtwinklig, multidirektional –Partikelverstärkte Composites:

 Partikel unterschiedlicher Größe und Form

 wahllos verteilt: bei ausreichendem Betrachtungsmaßstab quasihomogenes &

quasiisotropes Materialverhalten

 gerichtet: bei ausreichendem Betrachtungsmaßstab quasihomogenes &

anisotropes Materialverhalten

 unter anderem in MMCs: Hartmetallplättchen (WC3, Cermets), Autoreifen –Kurzfaser- bzw. Langfaserverstärkte Composites:

 bei Spritzgießen richtete sich Faserorientierung nach den Strömungsver- hältnissen in der Form

 folgt die Orientierung der Fasern einer statistischen Verteilung  Materialparameter mittels Orientation Distribution Function (ODF) bestimmbar

 Matrix übernimmt Hauptteil der Last wegen begrenzter Länge der Fasern!

 Bauteile mit niedrigen bis mittleren mechanischen Anforderungen –Endlosfaserverstärkte Composites:

 durch kontinuierliche (endlose) Fasern verstärkt

 in Bauteilen mit hohen mechanischen Anforderungen

 Fasern in Laminateinzelschichten sind angeordnet; man unterscheidet nach Faserorientierung folgende Laminattypen:

 unidirektionale (UD) Laminate

 Kreuzverbunde: Laminateinzelschichten oder Gewebelagen in 90°

zueinander verdrehten Winkeln

 Multidirektionale Laminate: Laminateinzelschichten mit frei wählbarer Orientierung

–Materialparameter beim Design von Verbundwerkstoffen:

 Verbundkomponenten

 Materialeigenschaften Faser/Matrix

 Massenverhältnis Faser/Matrix

 Faserlänge

 Laminateinzelschicht: Faseranordnung

 Laminat:

 Anzahl Laminateinzelschichten

 Faserorientierung in Laminateinzelschichten

 Struktur: Anzahl Laminataufbauten –Materialverhalten: homogen/inhomogen

 Homogenität: Eigenschaften des betrachteten Werkstoffs ortsunabhängig

 Inhomogenität: Eigenschaften ortsabhängig

 Quasihomogen: geringer (vernachlässigbarer) Unterschied in Material- eigenschaften

–Materialverhalten: isotrop/anisotrop

 Isotrop: Materialeigenschaften richtungsunabhängig

 Anisotrop: richtungsabhängig –Materialsymmetrieebenen:

 liegen vor, wenn die Eigenschaften in Bezug auf diese Ebenen, in beliebig symmetrischer Richtung, ident sind

 orthotropes Materialverhalten: charakterisiert durch drei aufeinander senkrecht stehende Materialsymmetrieebenen

 Orthotropieachsen:

 Schnittlinien mit Materialsymmetrieebenen

 mit 1, 2, 3 bezeichnet

 bei Belastung in Richtung der Orthotropieachsen sind Normal- &

Schubspannungen bzw. Normal- und Schubverzerrungen voneinander entkoppelt

 transversal isotropes Materialverhalten:

 Ebene in der die Eigenschaften isotrop sind

 ist bei UD-Laminateinzelschichten bzw. UD-Laminaten der Fall

 quasiisotropes Materialverhalten: in Laminatebene in allen Richtungen nahezu gleiche Materialwerte

–Voraussetzungen für quasiisotropes Verhalten in multidirektionalem Laminat:

 Anzahl Laminateinzelschichten N≥3

 identisches Material und Dicke aller Laminateinzelschichten

 Differenz Faserwinkel zw. zwei benachbarten Laminateinzelschichten konstant und folgender Wert: ⁿΦ-^n-1Φ=ΔΦ=π/N

–Polardiagramme:

 zeigen Einfluss von Beanspruchungsrichtung und Faserorientierung auf Zugfestigkeit und E-Modul in der Laminatebene

–

–Welche Eigenschaften in einem Werkstoff werden von anisotropem Materialverhalten beeinflusst?

 Mechanische Eigenschaften: Zugfestigkeit, E-Modul

 Thermische Eigenschaften: thermischer Ausdehnungskoeffizient

 Hygroskopische Eigenschaften: Ausdehnungskoeff. unter Feuchtigkeitseinfluss –Betrachtungsweisen abhängig vom Kontrollvolumen (KV):

 Mikromechanik: KV auf Komponentenebene

 relevante Größen: Parikelgröße, FaserØ, Abstand zw. 2 Verstärkungen

 beschäftigt sich mit Zusammenwirken zw. Verstärkung, Matrix & Interface

 Mesomechanik: KV auf Laminateinzelschichtebene und Laminatebene

 Laminateinzelschicht = homogen & anisotrop („verschmierte Material- kennwerte“)

 basierend auf Eigenschaften der Laminateinzelschicht wird globales Verhalten des Laminats bestimmt

 Makromechanik: KV auf Strukturbauteilebene

 globales Strukturverhalten und Spannungszustand in jeder Laminateinzelschicht werden bestimmt

–Hybride Composites:

 Laminate bzw. Laminateinzelschichten die aus verschiedenen Fasermaterialien bestehen

 Interply Hybrid Composites: verschiedene Fasermaterialien in darauffolgenden Laminateinzelschichten

 Intraply Hybrid Composites: mehrere Fasermaterialien pro Laminateinzelschicht

 Intraply-Interply Hybrid Composites: Lamiante die aus Lagen mit einem Fasermaterial und Intraply Hybrid Lagen bestehen

–Referenz-Koordinatensysteme:

 Lokales Referenz-Koordinatensystem pro Laminateinzelschicht:

 bei orthotropen Laminateinzelschichten parallel zu Orthotropieachsen (1,2,3)

 Vereinbarungen:

 UD-Laminateinzelschicht:

 1 – Faserrichtung (longitudinal)

 2 – Normal zur Faserrichtung in der Schichtebene (inplane-transversal)

 3 – Normal auf Schichtebene (out of plane)

 Gewebelage:

 1 – Kett-Richtung

 2 – Schuss-Richtung

 3 – Normal auf die Schichtebene

 Globales Referenz-Koordinatensystem (x,y,z) pro Laminat:

 zur Definition der Faserorientierung jeder Laminateinzelschicht in einem Laminat

 Angabe der Faserorientierung pro Laminateinzelschicht: Winkel zw. x-Achse des globalen Referenzkoordinatensystems und der Faserrichtung der betreffenden Einzelschicht in der x-y-Ebene

–Laminatbeschreibung:

 genaue ortsabhängige Angaben der Laminateinzelschichten über

 Lagenanzahl

 Typ/Material

 Faserorientierung

 Lagenaufbau

 Möglichkeiten diese Informationen zu beschreiben:

 Lagenaufbau-Code (s. Beispiele S37-39)

 Lagenaufbauplan

 Konstruktionszeichnung mit schematischer Darstellung des Lagenaufbaus

Kapitel 2: Faser- und Matrixmaterialien

–Definition Fasern: lange, dünne Fäden mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 10 μm und einem Längen-/Durchmesserverhältnis zw.

 10 – 100 bei Kurzfasern

 100 – 10000 bei Langfasern

 ∞ bei Endlosfasern

–Klassifizierung von Fasermaterialien:

 Naturfasern:

 Pflanzliche Fasern: Flachs, Baumwolle, Hanf, Jute, Sisal,…

 Tierische Fasern: Wolle/Haare, Seide,…

 Mineralische Fasern: Asbest,…

 Man-made Fasern:

 Regeneratfasern: basierend auf

 Cellulose: Viskose, Rayon,...

 Proteinen: Ardil, Lanital, Aralac,…

 Synthetische Fasern:

 Organische Fasern: Aramid, Nylong, PE, Polyester

 Anorganische Fasern: Glas, Kohlenstoff, Al2O3, Bor, Keramik,…

–Warum werden Fasern als Verstärkungsmaterial eingesetzt?

 Hohe Festigkeits- und Steifigkeitswerte:

 Faserparadoxon („Größeneffekt“): insbesondere spröde Materialien haben i Faserform eine deutlich höhere Festigkeit als in kompakter Form

 Anzahl der Fehlstellen (Auftrittswahrscheinlichkeit kritischer Defekte) ist wesentlich geringer

 bei kristallinen Faserwerkstoffen bzw. Polymerfasern wird herstellungsbedingte Faserstreckung erzielt (Ausrichtung der Kristallebenen bzw. Molekülketten parallel zur Faserachse)

 großes Längen-/Durchmesserverhältnis: Hauptteil der Belastung von Matrix auf feste Fasern übertragen

 hoher Grad an Flexibilität: ermöglicht die Verarbeitung von Fasern zu Faser- Halbzeugen; Maß ist die Flexibilität (Kehrwert der Biegesteifigkeit): F = 1/(EI) –Einteilung der Faser-Halbzeuge:

 Linienförmige Faser-Halbzeuge

 Kennzeichnung:

 Feinheit: Einheit [tex] = Masse des Faserbündels [g] pro km

 Faseranzahl [k]: Anzahl der zu Faserbündel zusammengefassten Einzelfasern

 Lieferformen: Spulen, Faserschnitzel, Gemahlene Fasern

 Rovings: Faserbündel die parallel gerichtet sind; man unterscheidet Assemblierte Rovings und Direktrovings; durch Außenabzug werden Rovings ohne Verdrillung von der Spule abgezogen, bei Innenabzug erhalten sie eine geringfügige Verdrillung

 Spinnfäden: herstellungsbedingte Anzahl an Glasfasern wird ohne Verwindung zusammengefasst

 Garne, Zwirne

 Flächenförmige Faser-Halbzeuge

 Kennzeichnung:

 Feinheit [tex]; Webform; Dicke [mm]; Fadenanzahl

 Faserwelligkeit: beeinflusst die mechanischen Eigenschaften; Welligkeit↑↑ → Biegespannungen↑↑ → Festigkeit und Steifigkeit ↓↓

 Gewebe:

 häufigste verwendete Faserbindung in Leichtbaustrukturen

 rechtwinklig zueinander orientierte Faserrichtungen (Kette & Schuss)

 Leinwandbindung:

 Schussfaden läuft abwechselnd über Kettfaden und unter dem nächsten hindurch

 Bindung ist schiebefest, geringe Verzugsgefahr

 schlechte Drapierfähigkeit, reduzierte mech. Eigenschaften

 Sonderform: Ripsbindung

 Köperbindung:

 diagonal verlaufende Gewebestruktur

 geringe Faserwelligkeit (gute Drapierfähigkeit), höhere Ermüdungs- festigkeit

 für hoch beanspruchte Bauteile

 Atlasbindung:

 minimale Faserwelligkeit → Schussfäden überlaufen mehrere Kettfäden → hohe Drapierfähigkeit

 sehr gute mech. Eigenschaften (entspricht übereinander geschichteter UD-Lagen)

 für hoch beanspruchte Bauteile

 Sondergewebe:

 Kettstarke Gewebe (hoher Anteil an Kettfäden)

 Hybrid-Gewebe: es wird mehr als ein Fasermaterial verarbeitet; häufig ist Kombination aus Kohlenstoff- (druckbeständig) und Aramidfasern (zäh und schlagfest)

 Triaxiale Gewebe: Faserverstärkung in drei Richtungen

 Gelege:

 Bänder mit parallel ausgerichteten Fasersträngen

 Zusammenhalt durch:

 Imprägnierung mit Harz

 Dünne Schussfäden

 Nähfäden

 Klebevliese oder Haftfadengitter

 Multiaxial-Gelege:

 UD-Lagen mit definierten Faserorientierungen übereinander geschichtet und mit dünnen Nähgarnen verwirkt, vernäht oder verwebt

 geringe Verzugsgefahr, hohe Drapierfähigkeit

 nur für schwach gekrümmte Bauteile

 Gefechte:

 Flechtbänder oder Flechtschläuche

 Herstellung aufwendig und teuer

 Matten/Vliese: Fasern sind wahllos verteilt; für gering belastete Bauteile

 Gestricke/Gewirke: höchstes Umformpotenzial, schlechte mech.

Eigenschaften; durch Verstreckung in Stäbchenrichtung können mech.

Eigenschaften verbessert werden

 3D Faser-Halbzeuge & 3D Faservorformlinge:

 3D Faser-Halbzeuge:

 mind. eine Faserverstärkungsrichtung, die nicht in der Schalenebene liegt

 erhöhte mech. Eigenschaften normal zur Laminatebene

 Verwirkte bzw. vernähte flächige Fasergebilde

 3D-verwebte flächige Faserhalbzeuge

 3D-Faserstrukturen

 3D Faservorformlinge (Prevorformlinge):

 Geometrie und Faseraufbau entsprechen der Faserverstärkung des gesamten Bauteils → Wegfall des arbeitsintensiven Laminataufbaus

 es gibt sie aus Schnittfasermatten, Geweben/Gelegen oder in gewebter/geflochtener Form

–Fasermaterialien: Glas-, Kohle-, Aramid-, PE-, Basalt-, Bor-, Metall-, Keramik-, Naturfasern, Whisker

–Glasfasern:

 häufigstes verwendetes Verstärkungsmaterial für Polymermatrix- Verbundwerkstoffe

 Herstellung: allgemein Schmelzspinnverfahren; häufigste Variante: Düsenzieh- verfahren

 Schmelzen und Säubern des Rohmaterials in Ofenkammern

 durch gelochte Platte werden Einzelfasern (Filamente) mit sehr hoher Geschwindigkeit gezogen und verstreckt (verbessert mech. Eigenschaften drastisch! → Verschiebung des Materials vom Inneren an Faseroberfläche)

 Faserdurchmesser ~ 10μm

 elektrische Entladung durch Besprühung mit Wasser und nachfolgende Beschichtung (temporäre Textilschlichte & Haftvermittler oder Silanschlichte)

 sonstige Verfahren: Trommelziehverfahren, Stabziehverfahren, Schleuder- verfahren, Düsenblasverfahren

 Glasfaserarten: E-Glasfasern (niedrige elektrische Leitfähigkeit), R-, S-Glasfasern (höhere Zugfestigkeit und Steifigkeit), D-Glasfasern (geringe dielektrische Konstante), C-Glasfasern (hohe chemische Beständigkeit),…

 es gibt noch: High Silica Fasern & Quarzfasern → feuchtigkeits- und säurebeständig, gut elektrisch & thermisch isolierend, usw.

 Eigenschaften: linear elastisches Verhalten bis zum Bruch, schlechter Abriebwiderstand (Beschichtung!), schlechtes statisches Ermüdungsverhalten bei Langzeitbelastung

–Kohlefasern:

 C-Atome (kovalent gebunden) in hexagonal übereinander liegenden Schichten angeordnet

 hoher E-Modul parallel zu Schichtebenen, niedriger E-Modul normal zu Schichtebenen → starke Anisotropie der Fasern

 Ausgangsmaterialien: Polyacrylnitril (PAN), Rayon, Pech

 Herstellungsprozess:

 Verstreckung der Precursorfasern (Ausrichtung der Polymermoleküle)

 Stabilisation: Vorbehandlung der Precursorfasern vor anstehenden hohen Temperaturen (oxidierende Atmosphäre)

 Verkokung (Pyrolyse, 1200-1500°C): Entfernung von nicht-Kohlenstoff Elementen (inerte Atmosphäre), Umwandlung in Carbonfaser

 Graphitierung (2000-3000°C): optional; kristallisationsähnliche Umform- vorgänge → verbessert mech. Eigenschaften der Kohlefasern (inerte Atmosphäre) → E-Modul↑↑

 Oberflächenbehandlung (Bindung Faser/Matrix wird verbessert)

 Beschichtung

 Aufspulen

 Unterscheidung der Fasern:

 Carbonfasern: nur carbonisiert → hohe Festigkeit, mittlerer E-Modul

 Graphitfasern: carbonisiert und graphitiert → hoher E-Modul

 Klassifizierung nach Festigkeit und Steifigkeit:

 HT (high tenacity): hochfest

 HM (high modulus): hochmodule Fasern

 UHM (ultra high modulus)

 IM (intermediate modulus): mittelmäßiger Modul

 usw.

 Eigenschaften:

 hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit

 thermischer Ausdehnungskoeff. in Faserlängsrichtung negativ! (quer zur Faserachse positiv)

 hohe Reaktivität bei hohen Temperaturen

 hohe Wärmebeständigkeit –Aramidfasern:

 ARomatische PolyAMIDen: Faser aus langen Ketten synthetischer Polyamide (mind. 85% der Amid-Kopplungen direkt mit Benzolringen verbunden)

 von Fa. Du Pont entwickelt und Kevlar benannt

 zwei Varianten:

 Nomex: Metaaramid

 Kevlar: Paraaramid

 Herstellung:

 Mischen von polymerem Ausgangsmaterial mit Schwefelsäure (H2SO4) als Lösungsmittel

 Ziehen der Einzelfasern und Verspinnen zu Faserbündeln

 Auswaschen von Lösungsmittel

 Verstrecken bei 500°C (Verbesserung mechanischer Eigenschaften)

 Aufspulen

 Molekülstruktur:

 starke kovalente Bindungen in Faserlängsrichtung

 schwache Wasserstoffbrückenbindung in transversaler Richtung

 hohe Anisotropie der Faser!

 Eigenschaften:

 schlechte Eigenschaften unter axialem Druck → plastische Deformation (Energieaufnahme!) → energieabsorbierende Anwendungen

 geringer longitudinaler Schubmodul

 hohe Zähigkeit

 schwach negativer thermischer Ausdehnungskoeff. in Faserlängsrichtung, hoher positiver Wert quer dazu

 hohe Feuchtigkeitsaufnahme

 geringe Temperaturbeständigkeit –UHMW-PE-Fasern:

 UHMW = Ultra High Molecular Weight Poly-Etyhlen-Fasern

 Markenname: DYNEEMA

 Herstellung:

 Ausgangsbasis: ultrahochmolekulare PE-Lösung

 Gelspinnverfahren

 Hochverstrecken der Fasern

 Eigenschaften:

 hohe spez. Steifigkeit & spez. Festigkeit

 hohes Energieaufnahmevermögen, hohe Schlagfestigkeit

 hohe Abriebbeständigkeit

 stark negativer thermischer Ausdehnungskoeff. in Faserrichtung

 niedrige Schmelztemperatur

–Basaltfasern: in Sowjetunion entwickelt; liegen zw. E-Glasfasern & HT- Kohlenstofffasern

–Borfasern:

 Aufbau:

 Kern aus Wolfram oder Kohlenstoff (Kohlefaser!)

 Hülle aus Bor

 Borfaser an sich ist schon ein Komposit!

 Herstellung: durch chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition)

 Thermische Aufspaltung von Borhydrid: niedrige Temperaturen → Borfasern sind weich + schlechte Haftung zw. Kern und Bor

 Reduktion von BCl3 mit Wasserstoff: hohe Temperaturen → Borfasern mit hoher Qualität

 Herstellungsprozedur:

 Einzelfaser aus Wolfram auf 1260°C durch elektrischen Widerstand aufgeheizt und durch abgedichteten Reaktor gezogen

 Gase aus BCl3 und H2 werden Reaktor hinzugefügt → Reaktion mit Draht

 Einfluss der Herstellungstemperatur:

 T<Tkrit: amorphes Gefüge → gute mech. Eigenschaften

 T>Tkrit: kristallines Gefüge → schlechte mech. Eigenschaften

 Morphologie der Borfaser: maiskolbenartig

 Wolframkern reagiert mit Borhülle zu einer Serie von Verbindungen (Diffusion) → Wolfram-Bor Übergangsphasen → Kern vergrößert sich → Beschichten mit SiC (BORSIC)

 Herstellungsbedingte Restspannungen beeinflussen mech. Eigenschaften:

 Druckspannungen an Oberfläche

 Umfangsspannungen an Grenze zw. Wolframkern und Bormantel

 Eigenschaften:

 hohe Druckfestigkeit

 hohe Materialkosten

 großer FaserØ

 hohe Wärmedehnung

 spröde

–Keramikfasern (prüfungsrelevant?):

 für hohe Temperaturen entwickelt

 Eigenschaften

 hohe Steifigkeit & Festigkeit

 hohe Temperaturbeständigkeit

 oxidationsbeständig

 zur Verstärkung von MMC & CMC

 Keramikfaserarten:

 SiC

 Al2O3

 SiN, B4C, BN

–Metallfasern (prüfungsrelevant?):

 nichtrostende Stahlfasern hoher Festigkeit

 Herstellung:

 bis Ø von 100 μm: konventionelle Drahtziehmethoden

 Ø< 100 μm: Taylorprozess

 Eigenschaften:

 duktil + hohe Festigkeit

 einfach zu produzieren

 gleichmäßige Festigkeitseigenschaften

 großes Gewicht

 reagieren mit MMC –Naturfasern:

 Vorfahren synthetischer Fasern → verdrängt durch synthetische Fasern

 kombiniert mit thermo- bzw. duroplastischen Kunststoffen

 Eigenschaften:

 geringe Dichte

 sehr gutes akustisches Dämpfungsverhalten

 preisgünstig

 ökologisch/ökonomisch gut

 Streuung mech. Eigenschaften

 hohes Wasseraufnahmevermögen

 geringe thermische Stabilität –Whisker:

 monokristalline Kurzfasern → kaum Defekte

 extrem hohe Festigkeit (entspricht Bindungskraft zw. Atomen!)

 dazu müssen Whisker in gleichmäßig verteilter Form vorliegen

 Clusterbildung führt zu schlechten mech. Eigenschaften

 haben starke Unregelmäßigkeit in Dimensionen und Eigenschaften

 Herstellung: Abscheiden aus der Dampfphase

 größter Nachteil: haben Unregelmäßigkeiten in Dimensionen und Eigenschaften

 Verarbeitung und Ausrichtung in der Matrix problematisch

 Herstellung:

 Verwendung von Reisschalen

 VLS-Prozess (vapor-liquid-solid):

 Stahlpartikel schmelzen zu flüssigem Katalysatortropfen

 aus Dampfphase (SiO, H2 und CH4) scheidet sich Si (g) und C (g) am Katalysatortropfen ab und SiC-Whisker fangen an zu wachsen

 Anwendungsbeispiele: in Klebwerkstoffen, Farben, Beschichtungen, zur Verstärkung von Thermoplasten

 Nachteil: hohe Kosten, karzinogen –Faserwerkstoffe im Vergleich

–Matrixmaterialien

 Aufgaben:

 für Strukturverhalten von großer Bedeutung

 Sicherstellung der Formhaltigkeit der Verbundbauteile

 Gewährleistung des Zusammenhalts zw. Fasern

 Gewährleistung Haftung zw. Laminateinzelschichten in Laminat

 Schutz abriebempfindlicher Fasern

 Krafteinleitung IN Einzelfaser und Kraftübertragung ZWISCHEN Fasern

 Übernahme mech. Lasten quer zur Faserrichtung (und Schubbeanspruchung)

 Stützfunktion für Fasern bei Druckbeanspruchung

 schützt Fasern vor Umgebungseinflüssen

 gebräuchlichste Matrixmaterialien:

 Polymere

 Metalle

 Keramik

 Glas

 Carbon

–Polymere Matrixmaterialien:

 makromolekulare Substanzen organischer Art

 Hauptbestandteil der Monomere: C, H, O, N

 Reaktionsmechanismen: Polyaddition, -merisation, -kondensation

 Unterscheidung in: Thermoplaste, Duromere, Elastomere –Duromere:

 flüssige/verflüssigbare Vorprodukte

 bilden während der Aushärtung eine chemische Vernetzung  amorphe Moleküle

 Aushärtung = exotherme Reaktion

 Grad der Vernetzung = f(Harzformulierung, Auswahl des Härters, Aushärte- parameter)

 Bindung in Molekülketten als auch zw. Molekülketten sind kovalent

 können nach dem Aushärten nicht mehr weichgemacht werden (Schmelztemperatur höher als Zersetzungstemperatur)

 spröde, geringe Bruchenergien (Verbesserung durch Additive) –Thermoplaste:

 kettenähnliche Anordnung von Molekülen mit amorphem oder teilkristallinem Aufbau

 Bindung innerhalb Fadenmoleküle kovalent, zw. Fadenmolekülen schwache Van der Waals Bindung

 aufgrund schwacher Bindungen zw. Molekülketten → Thermoplaste können nach dem Aushärten wieder weichgemacht bzw. geschmolzen werden

 vor dem Formgebungsprozess bereits voll polymerisiert

 Vorteile gegenüber Duromeren:

 kurze Taktzeiten (Serienfertigung)

 ungekühlt und unbegrenzt lagerfähig

 schweißbar, recyclebar

 Nachteile gg. Duromeren:

 höhere Aushärtetemperaturen & -drücke

 höhere Kriechneigung –Elastomere:

 verknäulte Molekülketten, weitmaschig vernetzt

 gummielastisches Verhalten –Übergangstemperaturen:

 Glasübergangstemperatur (amorph, teilkristallin):

 drastische Änderung der Eigenschaften des Polymers (z.B. E-Modul)

 bestimmt, bis zur welchen Temperatur Polymere (sinnvoll) eingesetzt werden können

 Schmelztemperatur (teilkristallin)

–Duromere Matrixwerkstoffe (Harze, resins):

 Epoxidharz (EP)

 Polyesterharz (UP)

 Vinylesterharz (VE)

 Phenolharz (PF)

 Polyimidharz (PI)

 Bismaleimidharz (BMI) –Thermoplaste:

 Standardthermoplaste (PP): schlechte mech. E., geringe Temperaturbest.

 Technische Thermoplaste (PA, PET, PBT): gute mech. E., hohe T-Best.

 Hochleistungsthermoplaste (PEEK, PEI, PSU, PPS): sehr gute mech. E., sehr hohe T-Best., geringe Feuchtigkeitsempfindlichkeit

–Epoxidharz (EP):

 Epoxidring

 kalte Aushärtung: langsame Reaktion, niedrige Vernetzungs- grade

 warme Aushärtung: kurze Reaktion, höhere Vernetzungsgrade, gute mech.

Eigenschaften

 Nachhärtung:

 im Anschluss an Aushärteprozess

 verbessert Temperaturbeständigkeit

 reduziert Duktilität

 Eigenschaften:

 gute mech. Eigenschaften

 gute Adhäsion zu meisten Verstärkungsfasern

 geringer Reaktionsschwund

 spröde

 hohe Feuchtigkeitsaufnahme

 begrenzte Lagerfähigkeit –Polyesterharz:

 hauptsächlich ungesättigte Polyesterharze (UP)

 für Bauteile mit geringen mech. Anforderungen

 Eigenschaften:

 schnell aushärtend, starke exotherme Reaktion

 billig, leicht verarbeitbar

 lagerfähig bei RT

 starker Reaktionsschwund –Vinylesterharz:

 Festigkeit & Kosten zw. UP & Epoxidharz

 Einsatz in dynamisch- und schlagbeanspruchten Verbundbauteilen

 hohe chem. & Korrosionsbeständigkeit –Polyimidharz:

 Mischungen aus duromeren & thermoplastischen Bestandteilen

 zweistufiger Aushärteprozess:

 langsame Vorhärtung

 Abkühlung & Nachhärtung

 Eigenschaften:

 hochtemperaturbeständig bis 370°C

 sehr hohe Aushärtedrücke erforderlich

 schwierige Verarbeitung, sehr spröde

–Phenolharz (Phenolformaldehydharz, PF), Bismaleimidharz: siehe Folien –Metallmatrix:

 für Hochtemperaturanwendungen bis 800°C

 Materialien: Aluminium, Magnesium, Titan

 in Kombination mit hochmodulen Fasern mit geringer Dichte sinnvoll

 Vorteile:

 hohe Festigkeit & Steifigkeit

 hohe Duktilität

 geringer Abfall von Festigkeit und Steifigkeit bei erhöhten Temperaturen

 Nachteile:

 hohe Dichte

 hohe Herstellungstemperatur

 Reaktivität mit Fasern –Keramikmatrix:

 Eigenschaften:

 hohe Temperaturbeständigkeit

 hoher Schmelzpunkt

 hohe Härte

 geringe Dichte

 hoher E-Modul

 hohe Druckfestigkeit, geringe Zugfestigkeit

 anfällig für thermischen Schock, spröde –Glasmatrix:

 geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient → Dimensionsstabilität bei erhöhten Temperaturen

 leichte Verarbeitbarkeit –Carbonmatrix:

 Verstärkung meist mit Carbonfasern

 einsatzfähig bis 2600°C

 geringes Gewicht

 hohe Steifigkeit

 hält thermische Schocks gut aus

Kapitel 3: Herstellungsmethoden von Verbundbauteilen Herstellungsmethoden Duromere Matrix:

–Herstellungsprozess

 Erstellung eines Formwerkzeugs:

 Negativabbildung des Bauteils (hohe Genauigkeitsansprüche)

 Material: metallisch (Stahl, Aluminium), komposit (Faserverbund-werkzeuge), gusskeramisch

 Auswahl nach Aushärtetemperatur des Matrixharzes, geforderter Qualität des Bauteils & Anzahl zu fertigender Verbundbauteile

 Formwerkzeug wird aus Urmodell hergestellt

 Urmodell aus Strakschablonen (manuelle Erstellung) oder aus Ureol mit NC-Fräsmaschinen

 Vorbehandlung des Formwerkzeugs:

 reinigen, polieren, benetzen mit Trennfilm (Lacke, Fette, Wachse), auftragen einer Fein- oder Gelierschicht (gel coat; Vermeiden des Durchdrückens der Fasern an der Oberfläche)

 Aufbereitung der Vorprodukte:

 Fasermaterial:

 endlose Faserstränge (Rovings, Tows, Yarns,…)

 textile Halbezuge: Gewebe, UD-Gelege, Geflechte, Gestricke, Matten

 Faser-Matrix-Halbzeuge: Prepregs, Sheet/Bulk/Dough Moulding Compounds (SMC/BMC/DMC), Faservorformlinge

 Formgebungsverfahren

 Nachbearbeitung des Bauteils: Sägen, Besäumen, Glätten, Bohren –Prepregs:

 PREimPREGnated fiber reinforced plastic

 flächige Fasergebilde die imprägniert werden und teilgehärtet sind

 Verstärkungsmaterial: Glas, Carbon, Aramid

 Harz: meist Epoxidharz

 Faservolumenanteil im Laminat: bis zu 60% (!)

 für Bauteile mit höchster Qualität, ausgezeichneten mech. Eigenschaften & guter Reproduzierbarkeit

 Herstellung (Prozessabschnitte):

 textile Aufbereitung: Rovings werden abgezogen & ausgerichtet oder Gewebe wird abgezogen

 Imprägnierung: der trockenen Fasern/Gewebe mit Harz

 Konsolidierung: Einarbeitung der Matrix in Fasern, Aufbringen von Träger- und Schutzfolie, Aufrollen

 Herstellungsverfahren:

 Lösungsmittelimprägnierung:

 Fasern/Gewebe werden in Lösungsmittel +Harz tauchgetränkt

 verflüchtigen des Lösungsmittels bei erhöhten Temperaturen

 Aufrollen mit Schutz- und Trägerfolie

 Schmelzharzimprägnierung

 aufgrund des teilgehärteten Harzes → begrenzte lagerfähig → bei -18°C 6 bis 12 Monate → vor der Bearbeitung Aufwärmen

 „Out Time“: Zeit der Lagerung der Prepregs außerhalb Auftauraum muss dokumentiert werden

 Fertigung unter Reinraumbedingungen ist erforderlich

 Vorteile:

 saubere Verarbeitung

 gleichmäßige Qualität

 weniger Ausschuss

 Nachteile:

 arbeitsintensiver Layupprozess

 hohe Investitionskosten

 nur einseitig glatte Oberfläche

 langer Aushärtezyklus –Imprägnierte Halbzeuge:

 Sheet Moulding Compounds (SMC):

 flächige endlose Fasermatten aus wahllos verteilten Rovingfasern

 hauptsächlich in Pressprozessen umgeformt

 begrenzte Lagerung bei RT (bis zu 6 Monaten)

 Einsatzgebiet: gering beanspruchte, dünnwandige Schalenkonstruktionen

 Vorteile:

 sehr wirtschaftlich

 für Großserienfertigung geeignet

 Nachteil: schlechte mechanische Eigenschaften

 Herstellung:

 Beschichtung einer Trägerfolie mit Harz

 Aufbringen von Kurzfasermatten oder geschnittenen Rovings

 Abdeckung mit zweiter beschichteter Trägerfolie

 Konsolidierung durch Walzen

 Aufrollen und anschließend Ruhezeit → Erhöhung der Harzviskosität

 Bulk/Dough Moulding Compounds (BMC/DMC):

 teigähnliche Gemische aus Fasermaterial und Harz

 im Handel „Premix“ genannt

 Verstärkungsmaterial: Glas, Baumwolle

 für Bauteile mit kleineren Abmessungen

 Verarbeitung durch Press- bzw. Spritzgusstechnik

 Viskosität des BMC darf für die Verarbeitung weder zu hoch, noch zu niedrig sein

 begrenzt lagerfähig

 Faservorformlinge:

 Herstellprozess in 2 Arbeitsschritten:

 Herstellung des bauteilgerechten textilen Halbezugs in einer billigen Form (Faservorformling)

 Einlegen in eine zweite Form → Imprägnierung mit Matrixsystem

 Verfahren:

 Luftkammerverfahren (Plenummethode)

 Water-Slurry Methode:

 Verteilung von Schnittfasern durch Wasserströme in einer Wanne

 Ablagerung der Schnittfasern auf dem Formwerkzeug durch Absaugung (perforiertes Werkzeug)

 Trocknung des Faservorformlings im Ofen

 Faserspritztechnik

 Robotergeleitete Faserformanlage

 Nachteile:

 hoher Energieverbrauch

 schlechte mech. Eigenschaften

 sorgfältige Reinigung des Formwerkzeugs

 Binder neigt zum Verkleben der Werkzeugoberfläche –Zuschnitt der Vorprodukte:

 manuell: Stanleymesser

 automatisch: Prepregcutter (Stichmesser)

 es muss geachtet werden auf:

 geringer Verschnitt

 richtige Ausrichtung der Fasern

 Kennzeichnung der Lagen

 Tragen von Spezialhandschuhen

 Vermeidung des Verklebens –Ablegeprozess (Prüfungsfrage!):

 Nasses Ablegen: Verstärkungsfasern bzw. textiles Werkzeug werden kurz vor, während oder nach dem Ablegen im Formwerkzeug mit Harz imprägniert

 Trockenes Ablegen: Ablegen der vorimprägnierten Halbezuge z.B. Prepregs auf dem Werkzeug unter Reinraumbedingungen

–Reinraum (Cleanroom; Prüfungsfrage!):

 konst. Temperatur: 20°C

 Luftfeuchtigkeit: 50%, Luftaustausch: 10x/Stunde

 konst. Überdruck

 Zugang nur mit spezieller Kleidung; Essen, Trinken, Rauchen verboten

 Arbeiten bei denen Verunreinigungen anfallen sind im Reinraum verboten

–Aushärtung des Harzsystems:

 Überführung in steifes, belastbares Bauteil unter Wärme und Druck

 Wärme:

 Reduktion der Viskosität der Matrix

 Steigerung der molekularen Mobilität → Reaktion

 Austreibung von Wassermolekülen und Lösungsmittel

 Aggregatzustand des Harzes:

 dünnflüssig → viskos → Erreichen des Gelierpunkts (halbstarrer Zustand) → jenseits des Gelierpunkts (Geometrie ist fixiert)

 Nachhärtung: Verdichtung der Harzvernetzung → Erhöhung Steifigkeit und Sprödigkeit

–Formgebungsverfahren für duromere Matrixwerkstoffe:

 Handlaminierverfahren

 Vakuumsackverfahren

 Autoklavverfahren

 Harzinjektionsverfahren

 Pressverfahren

 Expansionsverfahren

 Spritzgussverfahren

 Wickelverfahren

 Strangziehverfahren –Handlaminierverfahren:

 minimale technische Anforderungen

 händisches Auftragen flüssiger Harzschichten → nasses Ablegen

 Verteilen des Harzes durch Rollen und Entfernung von Lufteinschlüssen durch Bürsten

 Aushärtung ohne Druckanwendung bei RT oder leicht erhöhter Temperatur

 Faservolumenanteil: 35 bis 40%

 Verbundmaterialien: Glasfasern, Polyester-/Vinylesterharz

 Qualität des Bauteils & Gleichmäßigkeit des Produkts innerhalb des Produkts als auch von Bauteil zu Bauteils vom Geschick des Arbeiters abhängig

 teilweise automatisierte Variante: Faserspritzverfahren

 Vorteile:

 große, komplexe Bauteile fertigbar

 geringer Investitionsaufwand

 Flexibilität im Design

 Nachteile:

 arbeitsintensiv (hohe Lohnkosten!)

 geringer Faservolumenanteil

 Qualität abhängig vom Geschick des Arbeiters

 Gleichmäßigkeit des Produkts schwer erreichbar

 hohe Ausfallraten –Autoklavverfahren:

 Autoklav: geschlossener Behälter → Aushärtung von Laminaten aus Prepregs unter genau kontrollierten Temperatur- und Druckverhältnissen (trockenes Ablegen)

 Laminataufbau: auf das vorbereitete Formwerkzeug erfolgt die Ablage von

 Trennfilm

 Abreißgewebe (nach dem Abreißen rauhe Oberfläche)

 Laminat (Prepregstapel)

 Abreißgewebe

 Auffanggewebe (bleeder plies): nimmt Harzüberschuss auf

 perforierte Folie

 Absauggewebe: erleichtert gleichmäßige Druckverteilung & Absaugen von Lufteinschlüssen

 Abdeckmembran

 Aushärtezyklus:

 Evakuierung unterhalb Abdeckmembran

 Aufheizphase des Autoklaven

 Erhöhung der Temperatur unter Druckaufbringung

 Entformung des Bauteils

 eventuelle Nachhärtung (leicht über max. Aushärtetemperatur)

 Prozessparameter: Vakuum, Aufheizrate, Druckstufen, Temperaturverteilung am Bauteil

 Vorteile:

 gleichförmig gute Qualität (für mech. hoch beanspruchte Bauteile)

 geringe Belastung der Formwerkzeuge (p = 1 bar)

 Nachteile:

 hohe Investitionskosten

 Begrenzung der Bauteilgröße durch Autoklavabmessungen

 lange Taktzeiten

–Harzinjektionsverfahren (resin transfer molding):

 Bauteilherstellung in geschlossenen Formwerkzeugen bei niedrigen Drücken

 Arbeitsschritte:

 trockene Fasern oder Matten werden in untere Formwerkzeughälfte eingelegt

 obere Formwerkzeughälfte wird geschlossen: Hohlraum = Geometrie des Bauteils

 saugen oder pumpen von flüssigem Harz → nasses Ablegen

 Ableiten des überschüssigen Harzes

 Aushärtung bei RT oder leicht erhöhter Temperatur

 Qualität des Bauteils hängt stark von der Qualität des Formwerkzeugs ab

 höhere Drücke → höhere Aushärtetemperaturen → höhere Bauteilqualität

 Integralfertigung komplex geformter Strukturen mit glatter Oberfläche möglich –Nachbearbeitung:

 zur Erzielung von geforderter Oberflächenbeschaffenheit und Maßgenauigkeit

 beachten von:

 begrenztem Temperaturbereich der Verbundwerkstoffe

 Eigenarten Faser/Matrix

 hoher abrasiver Verschleiß der Schneidstoffe

 verhindern von:

 ausfransen & delaminieren an Rändern

 überhitzen der Matrixharze –Bohren:

 nur mit hartmetallbestückten Bohrern (abrasive Wirkung der Laminate!)

 Eindämmung der Hitzeentwicklung

 Verhindern des Abspaltens von Außenschichten (Vorschubkontrolle, Stützplatten)

 Bohren von Aramidverbunden → Spezialbohrer –Automatisierung:

 Ablegemaschinen: Vorteile

 keine Unregelmäßigkeiten im Laminataufbau

 gleichmäßig aufgebrachter Druck

 erhöhte Bauteilqualität

 Einsparung von bis zu 80% der Personalkosten (Rechtfertigung für hohe Investitionskosten)

 Schneidverfahren: Vorteile

 punktförmige Wirkgeometrie

 gute Schnittqualität, hohe Vorschubgeschwindigkeit

 Wegfall der Werkzeugabnützung

 Wasserstrahlschneiden:

 für hohe Präzisionsansprüche

 beruht auf erosiver Wirkung eines dünnen Wasserstrahls

 keine hohen Temperaturen auf Schnittfläche

 Staubfreiheit

 Laserstrahlschneiden:

 kontaktloser thermischer Schneidprozess

 Material absorbiert Energie → Temperaturerhöhung → Schmelzen → Verdampfen

 an Schnitträndern verbrannte Zone von 0,1 mm (!)

 bei CFK: Achtung auf hohe Wärmeleitfähigkeit

Herstellungsmethoden Thermoplastische Matrix:

–Unterschied zu duromeren Matrixmaterialien:

 keine Aushärtung mit chemischer Reaktion sondern lediglich Umformprozess → günstige Massenproduktion!

 Thermoplaste sind schweißbar, leicht reparierbar & recyclebar –Formgebungsverfahren:

 Heiß-/Kaltpressverfahren

 Spritzgussverfahren

 Schmelzimprägnierverfahren

 Wickelverfahren

 Strangziehverfahren

 Autoklavverfahren

 Superplastisches Umformen –Faser-Matrix-Halbzeuge:

 Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT):

 Verstärkungsmaterial: Matten aus regellos verteilen Endlosfasern/Schnitt- fasern oder UD-Faserlagen/Geweben

 Matrixmaterial: Standard Thermoplaste / Technische Thermoplaste

 Formgebung durch Pressprozesse

 schlechte Oberflächenqualität

 Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT):

 Herstellung in Extruder: Aufschmelzen des Granulats und beimengen von Langfasern bis 25mm

 Extrusionsstrang wird direkt in Presswerkzeug extrudiert

 Formgebung durch Pressvorgang

 Thermoplastische Prepregs:

 Kombination von UD-Lagen bzw. Gewebelagen mit thermoplastischen Matrixwerkstoffen

 Formgebung durch Heißpressen:

 Einlegen der Prepregs in Werkzeug, Erhitzen des Werkzeugs auf 400°C &

Formgebung im Anschluss, Beibehalten des Pressdrucks während Abkühlung

 zu beachten:

 Thermoplaste haben ein hochviskoses Verhalten → Imprägniervorgang schwierig

 bei RT sind thermopl. Prepregs steif & nicht klebrig

 für Positionierung in Formwerkzeugen entsprechende Fertigungs- technologien erforderlich

–Superplastisches Umformen:

 Arbeitsschritte:

 Ablage von Prepregs zw. zwei superplastisch verformbaren mit Trennmittel beschichteten Aluminiumblechen

 Aufheizen auf 300 bis 400°C

 Pressen der Alu-Bleche durch einseitige Druckaufbringung (hydrostatischer Druck eines Gases)

 Abkühlung unter Beibehaltung des Drucks

 faserschonendes Verfahren (Flexibilität der Aluminiumfolien)

 schwierige Kontrolle der endgültigen Faserrichtung

 Verfahren ist aufwendig (langsamer Prozessablauf, Verlust der Metallfolie)

–Schmelzimprägnieren:

 Layup aus abwechselnden Lagen von thermoplastischen Folien & Faser-gelegen oder Fasergeweben zw. zwei mit Trennmittel beschichteten Stahlblechen

 Abdecken Layup mit Aluminiumfolie

 Verdichten des Layups mit beheizbarer Presse (Wärme + Druck)

 Vakuum → Vermeidung von Porenbildung durch Lufteinschlüsse

Herstellungsmethoden Glas-, Keramik-, Kohlenstoffmatrix:

wird lt. Prof. Skrna nicht gefragt

Kapitel 4: Design von Verbundwerkstoffen

–Einteilung des Konstruktionsprozesses:

 Konzeptphase

 Vorentwurfsphase

 Detailentwurfsphase

–5 Hauptziele der Konzept- und Vorentwurfsphase unter Berücksichtigung interdisziplinärer Konstruktionsanforderungen:

 Zweckmäßigkeit

 Einfachheit

 Kosteneffektivität

 Minimale Kosten/Gewicht

 Vereinbarkeit mit vorhandenen Herstellungsprozessen & -möglichkeiten –Pflichtenheft:

 Definition der Umgebungsbedingungen und Anforderungen denen das Bauteil im Betrieb ausgesetzt ist

 Angabe auftretender Lastfälle

 Angaben über Spezialanforderungen –Designziele: Design auf…

 Steifigkeit

 Festigkeit

 dynamische Stabilität

 Stabilität unter Umgebungseinflüssen

 Schadenstoleranz –Grundregeln für den Laminataufbau:

 Verwendung symmetrisch ausgewogener Laminataufbauten mit mind. 3 verschiedenen Faserrichtungen (0°, ±45°, 90°)

 die zwei obersten & untersten Schichten jedes Laminataufbaus sollten in einem Winkel von 90° zueinander liegen, um die Schlagfestigkeit möglichst groß zu halten → ansonsten Faserwinkel benachbarter Schichten klein

 nicht mehr als 4 Lagen mit gleicher Faserorientierung

 Laminatdicke sollte 0,5 mm nicht unterschreiten

 bei Abstufungen sollte nach jeder Stufe eine durchgehende Lage folgen

 Gradient bei Lagenabstufungen max. 1:20 –„verschmierte Materialdaten“:

 Ausgangsbasis für Berechnung von Verbundbauteilen

 jede Laminateinzelschicht = homogenes anisotropes Material mit verschmierten Materialkennwerten

 aus mikromechanischen Methoden berechnet, z.B. Rule of Mixtures (Voigt- Modell, Reuss Modell)

 Herleitungen: siehe Folien

 Annahmen mikromechanischer Methoden für perfekten Verbund:

 keine Fehlereinschlüsse

 perfekte Bindung zw. Faser & Matrix

 exakt parallel ausgerichtete Fasern

 homogene Matrix

 Vernachlässigung von Mikrorestspannungen vom Herstellprozess

 isotropes, linear elastisches Materialverhalten von Faser & Matrix –Umrechnung zw. Volumen- und Gewichtsanteilen von Faser & Matrix:

 Unterschied zw. ρct und experimentell ermittelten Dichtewerten: vorhandene Porenanteile Vv werden nicht berücksichtigt

–Lokales Materialkoordinatensystem der Laminateinzelschicht:

 UD-Laminateinzelschichten = statistisch transversal isotrope Werkstoffe → Materialkennwerte für alle Richtungen normal zu Faserrichtung gleich

 El, Eq = Et, νlq = νlt, νtq = νqt, Glq = Glt, Gqt

 ν = Querkontraktionszahl (Poissonzahl)

 maximal möglicher Faservolumenanteil ξ ~ 0,91 (dichteste Packung der Fasern!)

 bei hexagonaler Packung der Fasern erreicht

–Hooke’sches Gesetz für UD-Laminateinzelschicht (lokales Materialkoordinaten- system):

 unter Annahme eines Ebenen Spannungszustandes (ESZ):

 keine Interaktion zw. Normalspannungen & Schubverzerrungen bzw.

 Normalspannungen die entlang der Orthotropieachsen wirken, verursachen nur Normalverzerrungen

 keine Interaktion zw. Schubspannungen & Normalverzerrungen

 Schubspannungen die in den Materialsymmetrieebenen wirken, führen nur zu Schubverzerrungen

–Transformation des Hooke’schen Gesetzes vom lokalen (l,q,t) Material- koordinatensystem in das globale (x,y,z) Materialkoordinatensystem:

 T^-1 = Transformationsmatrix (3x3 Matrix)

 (E)L = Steifigkeitsmatrix bezogen auf lokales Koordinatensystem

–Hooke’sches Gesetz einer UD-Laminateinzelschicht im globalen Referenz- koordinatensystem (x,y,z):

 Interaktionen zw. Normalspannungen & Schubverzerrungen

 Normalspannungen in Richtung x- bzw. y-Koordinaten führen zu Normalverzerrungen & auch zu Schubspannungen (!)

 α = positiv, wenn x-y-Koordinatensystem in positiver Drehrichtung um die z- Achse in l-q-Koordinatensystem gedreht wird

–Klassische Laminattheorie (KLT):

 für die Berechnung von geschichteten Verbundstrukturen

 zur Ermittlung des Verformungs- und Versagensverhaltens kompositer Strukturen

 Ergebnisse der klassischen Laminattheorie:

 globale Verzerrungen des Laminats

 Spannungen & Verzerrungen pro Laminateinzelschicht

 Spannungen & Verzerrungen werden den entsprechenden kritischen Werkstoffkenngrößen unter Heranziehung von Versagenskriterien gegenübergestellt

 Annahmen der KLT:

 ESZ in jeder Schicht (gilt nicht am freien Rand)

 Kirchhoff Hypothese: Normale auf Mittelebene der unverformten Struktur bleibt auch nach Deformation gerade & normal auf deformierte Mittelebene

 Einzelschichten makroskopisch homogen & orthotrop

 linear elastisches Materialverhalten von Faser & Matrix

 perfekte Bindung zw. zwei Laminateinzelschichten

–Gleichung des Schichtverbundmaterialgesetzes (Prüfungsfrage!):

 N = Schnittkräfte/Längeneinheit, Dimension N = Kraft/Länge

 M = Schnittmomente/Längeneinheit, Dimension M= Kraft

 ε⁰ = globale Membranverzerrungen der Bezugsfläche

 κ = Krümmungsänderungen der Bezugsfläche

 A = Dehnsteifigkeitsmatrix: verknüpft Membranschnittkräfte N pro Längeneinheit mit globalen Membranverzerrungen ε⁰

 D = Biegesteifigkeits-matrix: verbindet Biege- und Torsionsmomente pro Längeneinheit M mit Krümmungsänderungen κ

 B = Koppelsteifigkeitsmatrix: Schnittkräfte N werden mit Krümmungsänderungen κ bzw. Schnittmomente M mit Membranverzerrungen ε⁰gekoppelt → zusätzliche Verformungen des Bauteils

–Die aktuelle Spannungsverteilung über die Dicke des Laminats ist einem System von 3 Membranschnittkräften Nx, Ny, Nxy & 3 Schnittmomenten Mx, My, Mxy, die in der Bezugsfläche angreifen, äquivalent

–Laminat Steifigkeitsmatrix:

–Schichtverbundmaterialgesetz in vereinfachter Form:

–Koppeleffekte:

 Effekte, die aus Erfahrung mit homogenen isotropen Platten nicht erwartet werden, z.B.:

 unerwünschte zusätzliche Spannungen durch Randbedingungen

 Biegedeformationen oder Verdrillungen bei Temperaturänderungen

 unerwünschte Deformationen nach dem Abkühlen von Aushärtetemperatur

 werden verursacht durch unsymmetrischen Laminataufbau → Koppelsteifigkeits- matrix ≠ 0

 bei symmetrischem Laminataufbau: Koppelsteifigkeitsmatrix ist leer –Vermeidung von Koppeleffekten:

 symmetrische Laminate: jede Laminateinzelschicht oberhalb der Schalen- mittelfläche hat eine identische Laminateinzelschicht mit gleichen Material- eigenschaften / Faserorientierung / Dicke im gleichen Abstand unterhalb der Schalenmittelfläche

 B = 0⃗

 Quasi-Orthotrope Laminate: verhalten sich in Bezug auf Membranschnittkräfte und Membranverzerrungen wie orthotrope Lagen → keine Kopplung zw.

Membranschnittkräften, Biegung & Verdrillung

 B = 0⃗

 A16 = A26 = 0

 Quasi-Isotrope Laminate: verhalten sich in Bezug auf Membranschnittkräfte und Membranverzerrungen isotrop → keine Kopplung zw. Membranschnittkräften, Biegung & Verdrillung → Dehnsteifigkeitsmatrix A ist isotrop

 B = 0⃗

 A11 = A22, A16 = A26 = 0, A11–A12 = 2*A66

–Anforderungen, damit sich ein symm. Laminat quasi-isotrop verhält:

 Gesamtzahl Laminateinzelschichten N≥6

 einzelne Lagen haben gleiche Materialeigenschaften & Dicken

 Unterschied in Faserorientierung ist konst. zw. Lagen

 Winkel zw. benachbarten Lagen Φ=π/N

 Info: ein unsymm. Laminat kann sich quasi-isotrop verhalten für N≥3 –Versagensmodi:

 Globales Versagen:

 große Deformationen

 globale Instabilitäten

 Internes Materialversagen:

 Faserbruch

unter dem Begriff „Ply Failure“ (Inplane Schichtversagen) zusammengefasst

 Matrixbruch

 Debonding

 Delamination

–Überprüfung von Ply Failure bei compositen Materialien: Minimum von 5 Festigkeits- parametern

 Gründe, wieso tatsächliche Werte der Festigkeitsparameter geringer sind, als die berechneten:

 ungenaue Faseranordnung

 Faseranhäufungen

 Fasern mit unterschiedlicher Festigkeit

 keine perfekte Bindung zw. Faser & Matrix

 Restspannungen zufolge Herstellungsprozess aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung

 Fasern unterschiedlicher Länge

–Ply Failure bei einachsiger Zugbelastung in Faserrichtung:

 zwei Versagensmodi abhängig vom Faservolumenanteil:

 ξ< ξmin: Matrix kann nach Brechen aller Fasern immer noch Lasten aufnehmen

 ξ> ξmin: Matrix kann nach Überschreiten der Bruchverzerrung in Fasern die Last nicht mehr aufnehmen

 Versagensformen an der Bruchfläche:

 Faserbruch

 Faserauszug

 Schubversagen am Faser/Matrix-Interface

 Debonding

–Ply Failure bei einachsiger Druckbelastung in Faserrichtung:

 Transverse tensile failure:

 Debonding

 Matrixbruch

 Faser Microbuckling:

 unabhängig (extensional mode)

 in Phase-in parallel (shear mode)

 Schubversagen (shear failure) → Knickbänder

–Ply Failure bei einachsiger Zugbelastung quer zur Faserrichtung: siehe Folien –Ply Failure bei einachsiger Druckbelastung quer zur Faserrichtung: siehe Folien –Ply Failure bei Schubbelastung in der lq-Ebene

–Delamiantion:

 ist das Aufklaffen bzw. Abscheren zweier benach- barter Laminateinzelschichten

 zufolge interlaminarer Normal- (σtt) bzw. inter- laminarer Schubspannungen 𝜏_𝑙𝑡 & 𝜏_𝑞𝑡

 treten auf im inneren des Laminats bzw. an freien Rändern

–Delamination im Inneren des Laminats: durch

 Schlageinwirkung

 Herstellungsfehler: Schmutz, vergessene Prepregschutzfolie, Gasentwicklung

 Strukturelle Unstetigkeiten: ply drop off, geklebte/mitlaminierte Anschlüsse

 Feuchtigkeit & Temperatur: thermische Restspannungen aufgrund Abkühlen, Temperaturgradienten bzw. Restspannung durch Feuchtigkeit

 Ermüdungsbeanspruchung: mechanisch thermische Wechelbelastung –Randdelamination:

 an freien Rändern multidirektionaler Laminate: Ausbildung von triaxialen Spannungszuständen

 klassische Laminattheorie ist an Laminaträndern nicht gültig!

 Laminatrandeffekte auch bei fehlerfrei gefertigten Bauteilen

 Achtung: freie Rändern auch bei Ausnehmungen, z.B. Bohrungen

 abhängig von Materialwerten benachbarter Laminateinzelschichten:

Unterschied: Querkontraktionszahl, Schubverhalten, E-Moduln, Schubmoduln, Laminataufbau, …

 Einfluss interlaminarer Spannungen verschwindet mit zunehmendem Abstand vom freien Rand → Einflusslänge ~ Laminatdicke

–Versagenskriterien:

 mehrachsiger Spannungszustand pro Laminateinzelschicht wird mit fünf Festigkeitsparametern eines UD-Composites verglichen (vgl. Mises Vergleichsspannung)

 4 Kategorien von Versagenskriterien (Prüfungsfrage!):

 Begrenzungstheorien:

 Maximalspannungskriterium: Versagen, wenn eine Spannungs- komponente im Materialkoordinatensystem die Bruchfestigkeit erreicht (berücksichtigt keine Interaktionen!); Bruchfläche = Quader

 Maximalverzerrungskriterium: Versagen, wenn eine Verzerrungs- komponente im Mat.-Koordinatensys. die Dehngrenze erreicht

 Verzerrungen werden aus vorhandenen Spannungen berechnet, daher werden Interaktionen berücksichtigt

 Polynome Theorien:

 Tsai-Hill Kriterium

 Tsai-Wu Kriterium: Fiσi + Fijσiσj ≥ 1; Bruchfläche = Ellipsoid

 Verzerrungsenergie Theorie:

 Azzi-Tsai-Hill Kriterium

 Theorien, die Versagensmode direkt bestimmen –Bruchkriterium nach Puck:

 Unterscheidung zw. zwei Brucharten:

 Faserbruch: faserparallele Schichtspannungen mit entsprechenden Festigkeitswerten der UD-Schicht in Faserrichtung verglichen

 Zwischenfaserbruch: Wirkebenen-bezogene Bruchkriterium → Aussagen über Bruchwinkel

 Spannungsraum:

–Versagensbeurteilung der Delamination:

 Bruchfestigkeitsansatz:

 Annahme: fehlerfreies Laminat

 Berechnung interlaminarer Spannungen

 Einsetzen interlaminarer Spannungen & Bruchfestigkeiten in quadratisches Spannungskriterium

 Energiefreisetzungsraten-Ansatz:

 Erweiterung des Bruchmechanikkonzepts

 Annahme: Vorhandensein von Delamination bzw. Anfangsschädigung

 Berechnung der Verzerrungsenergiefreisetzungsraten & Vergleich mit kritischen Raten

–Versagensbeurteilung: Definition des Risikoparameters

 zur Beurteilung des kritischen Versagensmodes (Ply Failure, Delamination)

 Delaminationsbeginn: λQSC

 Beginn von Ply Failure: λTSWU

 um kritischen Versagensmode zu bestimmen, werden Maximalwerte von λQSC &

λTSWU verglichen

 wenn λQSC größer: Schichtversagen

 wenn λTSWU größer: Delamination

 Zudem gilt:



 Darstellung in Fringe Plots

Kapitel 5: Qualitätskontrolle von Verbundbauteilen

–Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung von Verbundbauteilen: basiert darauf, dass Energie in das Bauteil eingebracht wird & dessen Antwort auf die Energiezufuhr analysiert wird

 es wird nach Informationen über Vorhandensein, Größe, Ort und Orientierung von Schäden gesucht

 meistens werden mehrere zerstörungsfreie Prüfverfahren kombiniert, um verschiedene Fehler zu messen

–Zerstörungsfreie Prüfverfahren (Prüfungsfrage: 3 nennen, eines genauer erklären):

 Visuelle Inspektion:

 Feststellung von Fehlern mit dem freien Auge

 Schäden in innerer Struktur können nicht erfasst werden (ausgenommen durchscheinende Materialien)

 Löcher, Einstiche, Kratzer, Randdelamination, …

 Unterstützung mit Hilfe von Mikroskopen, Penetriermitteln (Farbkontraste), …

 Klopfverfahren

 Ultraschallverfahren:

 piezoelektrisch erzeugte Schallimpulse mit Frequenzen >20kHz werden in das Material eingeleitet & deren reflektierte oder durchgelassene Schallanteile ausgewertet

 Verfahren:

 Impuls-Echoverfahren: Reflexionen der Schallimpulse werden registriert &

ausgewertet

 Durchschallungsverfahren

 Pitch-Catch Methode: Schallimpulse unter bestimmtem Winkel auf Probestück gesendet & reflektierte Wellen gemessen

 um eine Fehlstelle zu finden, muss ihre Größe Φ groß genug gegenüber der Wellenlänge λ der Schallwelle sein

 Prüfkopfankopplung wichtig: mittels Direktkontakt, Tauchtechnik, Fließwasserankopplung, etc.

 Unterscheidung in:

 A-Scans: Auswertung an einem Punkt

 B-Scans: Aufzeichnung entlang einer Linie

 C-Scans: Aneinanderreihung von B-Scans

 Radiographische Verfahren:

 Verfahren:

 Röntgen-Radiographie:

 Werkstück wird mit einem Film unterlegt, der durch durchdringende Röntgenstrahlen geschwärzt wird

 unterschiedliche Graustufen können durch Einschlüsse, Matrixrisse, etc. hervorgerufen werden

 es werden Röntgenstrahlen mit niedrigem Energiegehalt (große Wellenlänge, geringe Frequenz) verwendet, da sie besser absorbiert werden

 Verbesserung der Helligkeitskontraste durch Kontrastmittel

 Röntgen Rückstreuaufnahmen

 Computertomographie (CT)

 Neutronen-Radiographie

 Thermographische Verfahren

 Schallemissionsverfahren

 Optische Verfahren:

 Holographische Interferometrie

 Moiré-Verfahren

 Speckle-Technik

 DLR-Verfahren

 Rasterreflexionsverfahren

Kapitel 6: Experimentelle Charakterisierung von Verbund- werkstoffen

–Hauptgründe:

 Ermittlung von Materialkennwerten, die für Konstruktion & Strukturanalyse gebraucht werden

 Verifizierung des durch mikromechanische Berechnungen ermittelten mechanischen Verhaltens

 Überprüfung der Angemessenheit des Herstellungsprozesses

 Sicherstellung der Gleichmäßigkeit im Materialverhalten

 etc.

–Arten der experimentellen Charakterisierung:

 Charakterisierung der Komponentenwerkstoffe: Faser-, Matrix- & Zwischen- phasenmaterial

 Charakterisierung unidirektionaler Laminas (=Laminateinzelschichten)

 Ermittlung des Materialverhaltens unter speziellen Lastbedingungen (multiaxial, Ermüdung, Kriechen, Schlagbeanspruchung)

 Experimentelle Spannungs- & Versagensanalyse von Laminaten mit eingebauten geometrischen Unregelmäßigkeiten, z.B. freie Ränder, Ausschnitte, Verbindungen, …

–Experimentelle Charakterisierung der Fasermaterialien:

 Papierstreifentest:

 E-Modul & Zugfestigkeit in Faserrichtung

 max. Verzerrung der Fasern unter Zugbelastung

 Einzelfaser wird auf Papierstreifen geklebt, Papierstreifen in Zugmaschine eingespannt & Papier durchgetrennt

 Aufnahme von Last-Verschiebungskurven (P-u-Diagramm)

 Messung der Temperaturabhängigkeit des E-Moduls & therm.

Ausdehnungskoeff. der Faser in Faserrichtung mit aufwendigeren Verfahren (Ofen)

–Experimentelle Charakterisierung der Matrixmaterialien:

 Polymere Matrixmaterialien: bei isotropem Matrixmaterial Zugversuch einer taillierten bzw. untaillierten Probe

 Metallmatrixmaterial: Materialparameter des massiven Materials ungleich in situ Materialparameter im Composite

 Keramikmatrixmaterial: Materialparameter des massiven Materials ungleich in situ Materialparameter im Composite

–Experimentelle Charakterisierung von Verbundwerkstoffen:

 physikalische Charakterisierung von Verbundwerkstoffen: Bestimmung von

 Dichte:

 Faservolumenanteil:

 für anorganische Fasern & organische Matrix → Trocknung des Probekörpers in Ofen → Abwiegen des Probekörpers

 Erhitzen des Probekörpers bis Matrix vollständig verbrennt

 Auswaschen der verbrannten Matrixrückstände & Asche

 Trocknung & abwiegen des unverbrannten Rests

 𝜉 = ^{𝑊𝑓/𝜌𝑓}

𝑊𝑐/𝜌𝑐 Wf…Gewicht Faser, Wc…Gewicht Composite

 Lunkervolumenanteil

 therm. Ausdehnungskoeff.:

 zwei DMS in Faserlängs- & Faserquerrichtung an beiden Oberflächen des UD-Laminas + Temperaturkompensations-DMS

 αl bzw. αq ergeben sich aus Steigungen der Kurven im Verzerrungs- Temperatur-Diagramm

 Ausdehnungskoeff. unter Feuchtigkeit

 Bestimmung der Materialwerte eines UD-Laminas unter:

 einachsiger Zugbelastung:

 Bestimmung folgender Materialparameter (lernen, da sie immer wieder vorkommen!)

 taillierte bzw. untaillierte Proben mit genormten Abmaßen und Aufleimern ([0/90]-Laminate)

 Proben mit 0° Faserausrichtung & mit 90° Faserausrichtung

 Belastung bis zum Bruch & Messung von Belastung, Verzerrung in Zug- und quer zur Zugrichtung (DMS)

 Spannungs-Verzerrungsdiagramme werden erstellt

 nicht taillierte Proben bevorzugt, da die taillierten Proben im Bereich der Taillierung versagen

 einachsiger Druckbelastung:

 Celanese-Test

 IITRI-Test: durch trapezförmige Spannbacken wird die Belastung mittels Reibung auf die Probe übertragen; Proben gleichen jenen bei Zugversuch, jedoch sind die Aufleimer besonders lange ausgeführt

 Modifizierte D695 Testmethode

 Sandwich Testmethode: Druck-/Biegetest

 Verwendung von blockförmigen Proben

 inplane Schubbelastung:

 +45/-45 Coupon test

 10° off-axis Test

 Torsionsmethode

 Arcan Test

 Iosipescu shear test:

 durch spezielle Lasteinleitung & Probenform erhält man eine Zone reiner Schub- beanspruchung

 Faserorientierung 90° zur Probenlängsachse

 bei stark orthotropem Material Korrektur der Messergebnisse erforderlich

 Bilderrahmentest

 interlaminare Schubbelastung:

 Unterscheidung:

 interlaminarer Schubfestigkeit:

 dzt. keine genauen Methoden

 3-Punkt Biegeproben eines kurzen Balkens

 Schubtest mit Doppelkerbe

 Arcan Test

 interlaminarer Zugfestigkeit: direkte & indirekte Methoden

 für Bewertung der Laminatgüte in out-of-plane Richtung & Kontrolle des Delaminationswiderstandes

Kapitel 7: Verbindungstechniken & Krafteinleitungen bei Verbundbauteilen

–Verbindungselemente sind in Bezug auf Festigkeit & Steifigkeit Problemzonen → es ist weit weniger effizient ein Bauteil mit Verbindungselementen zu produzieren, als ohne (Integralbauweise)

–die in Verbindungsstellen auftretenden konzentrierten Kräfte müssen in die lasttragende Struktur so eingeleitet werden, dass die Matrix als schwächstes Glieder der Kette nicht versagt

–Verbindungselemente lassen sich dennoch nicht vermeiden, falls:

 Dimensionen des Bauteils übersteigen die maximalen Werte, die herstellungstechnisch möglich sind (z.B. Autoklavgröße)

 Bauteilgeometrien können nicht aus einem Stück gefertigt werden

 Einsatz unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen therm.

Ausdehnungskoeff.

–frühzeitige Definition von Ort & Art der Verbindungen beim Entwurf von Verbundstrukturen notwendig!

–Verbindungstechniken:

 Bolzen- & Nietverbindungen:

 Kraftübertragung erfolgt durch konzentrierte Druckspannungen auf kleinen Berührungsflächen (Druck auf Lochleibung)

 Einsatz wo Klebungen aus geometrischen Gründen nicht ausführbar bzw.

lösbare Verbindungen gefordert

 Bohrlöcher reduzieren Anzahl lasttragender Fasern → Spannungs- konzentrationen