Zusammenfassung FVW - FSMB

Faserverbundwerkstoffe
2. Komponenten des Faserverbundes
Auswahlkriterien für Faser-Matrix-Kombinationen
• Festigkeit
• Steifigkeit
• Temperatur- und Feuchteumgebung
• Chem. Resistenz
• Kriechverhalten
• Wärmeausdehnung
• Kompatibilität Faser - Schlichte - Matrix (mech.-phys.-chem.)
• Langzeitverhalten (mech., physik., chemisch, optisch,..)
• Fertigungsprozesse (einschl. Verbinden / Fügen) • Verhalten im Brandfall
• Kompatibilität mit Nachbarwerkstoffen / -bauteilen
• Überwachbarkeit / Qualitätssicherung
•…
Die Fasern
Kohlefaser
Ausgangsbasis Polyacrylnitril (PAN), aus dem durch Nassspinnen und Verstrecken Rohfasern
gewonnen werden. Je nach gewünschtem Fasertyp erfolgt am Schluss die Karbonisierung der
Fasern bei unterschiedlichen, zum Teil sehr hohen Temperaturen für den gewünschten
Fasertyp. Die PAN-Fasern sind qualitativ sehr hochwertige Fasern und aufgrund ihrer hohen
Herstellkosten entsprechend teuer.
Glasfasern
Bei den Glasfasern erfolgt die Herstellung durch Ziehen aus der Glasschmelze mit Hilfe
beheizbarer Düsen. Günstiger in der Herstellung, daher oft bei weniger anspruchsvollen
Bauteilen eingesetzt.
Die Matrix
Die wesentliche Funktion der Bettungswerkstoffe besteht in Schutz, Stützung und
Formgebung für das Fasermaterial. Mechanisch gesehen verhindern sie das Knicken der
Faser. Der Anwendungsschwerpunkt liegt bisher bei den Kunststoffmatrizen, auch aus
Gründen höherer Herstellkosten bei den anderen Matrixarten. Deshalb sind Metall-, Glas-,
Keramik- und Kohlenstoffmatrizen auf spezielle Anwendungen beschränkt.
Beachten müssen wir Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Fasern und
Bettungswerkstoffen, weil jede nach der Aushärtung der Matrix auftretende
Temperaturänderung bei unterschiedlichen Werten von α t at einen Eigenspannungszustand
im Bauteil hervorruft.
Gängige Kunststoffmatrizen
Thermoplaste: Bei den Thermoplasten handelt es sich um linear oder verzweigt aufgebaute
Makromoleküle, die bei Erwärmung bis zur Fließbarkeit erweichen und sich bei Abkühlung
wieder verfestigen. Sie sind also in der Lage, reversible Zustandsänderungen zu durchlaufen.
Daher sind Thermoplaste beliebig oft aufschmelzbar und (begrenzt) verschweißbar.
Beispiel: Polyamid, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyurethan.
Die Schmelztemperaturen der heute bekannten und verwendeten Thermoplaste liegen
ausnahmslos oberhalb 175°C und reichen bis zu 600°C. Thermoplaste besitzen eine Reihe
von Vorteilen:
- unbegrenzt lagerfähig
- hohe Arbeitshygiene bei der Verarbeitung, da keine chemischen Prozesse ablaufen
- mehrfach umformbar
- erheblich kürzere Aushärtezeiten gegenüber Duromeren (Taktzeiten)
Duromere: Duromere sind räumlich eng vernetzte Makromoleküle, die auch bei hohen
Temperaturen nicht erweichen oder schmelzen. Nach dem irreversiblen Aushärtungsprozess
liegen sie in einem starren, auch spröden, amorphen Zustand vor. Beispiel: PhenolFormaldehydharze, Polyesterharz, Epoxydharz. Bei den Duromeren schwankt die
Aushärtungstemperatur zwischen Raumtemperatur und etwa 250°C. Gleichzeitig variiert der
aufzubringende Druck zwischen atmosphärischem Druck und maximal etwa 8bar. Das uns
interessierende Verhalten der Duromere und Thermoplaste bezüglich Festigkeit und
Steifigkeit hängt in hohem Maße ab von den Aushärtungsbedingungen, die charakterisiert
werden durch die Aushärtungstemperatur, den aufgebrachten Druck und die Aushärtungszeit.
(Am meisten verwendete Kunststoffe)
Schlichtemittel
Da der Herstellungsprozess der Fasern kaum einen gezielten Einfluss auf die
Oberflächengestaltung erlaubt, werden daher Oberflächenbehandlungen der fertigen Fasern
unumgänglich: Einerseits bedürfen die sehr dünnen Fasern nach ihrer Herstellung und vor der
Weiterverarbeitung des Schutzes vor mechanischer Beschädigung, Feuchtigkeitsaufnahme
und elektrostatischer Aufladung. Diesem Zweck dienen in Anlehnung an die Textiltechnik als
Schlichten bezeichnete Filme, die aufgebracht werden, indem die Fasern durch entsprechende
Emulsionen gezogen werden (max. 1,5% Anteil am Verbund)
3. Mechanische Eigenschaften der UD-Schicht
Kennwerte der UD-Schicht
E-Modul in Faserrichtung
E|| = EF|| ϕ F + EM (1 − ϕ F )
E|| ≈ 150.000 MPa
E⊥ ≈ 8.000MPa
Querkontraktionszahlen
ν ⊥|| E⊥
=
ν || ⊥ E||
Wärmeausdehnung
Feuchteausdehnung
α t || ≈ 0,5 ⋅10 −6 / K
β || ≈ 15 ⋅10 −6 / %
α t ⊥ ≈ 30 ⋅10 −6 / K
β ⊥ ≈ 4000 ⋅10 −6 / %
bei ∆M ≈ 1,0% =>
Materialgesetze der UD-Schicht
ν || ⊥
 1

−
0 

E
E||
 σ x   α t || ⋅ ∆T   β|| ⋅ ∆M 
 ε x   ||
ν

   
1
 
 

|| ⊥
0  ⋅ σ y  + α t ⊥ ⋅ ∆T  + β ⊥ ⋅ ∆M 
 ε y  = −
E⊥
γ   E||
 τ   0   0 
 

 xy  
1   xy  
0
0


xy
 444244G
1
43
Nachgibigkeitsmatrix[ S ]
E||
ν || ⊥ ⋅ E ⊥


0 

1 −ν || ⊥ ⋅ν ⊥|| 1 −ν || ⊥ ⋅ν ⊥||
  ε x   α t || ⋅ ∆T   β || ⋅ ∆M 
σ x  
E⊥
   
   ν || ⊥ ⋅ E ⊥
 

0  ⋅  ε y  − α t ⊥ ⋅ ∆T  − β ⊥ ⋅ ∆M 
σ y  = 
τ  1 −ν || ⊥ ⋅ν ⊥|| 1 −ν || ⊥ ⋅ν ⊥||
 γ   0   0 
 xy  
0
0
G xy   xy  


144444
42444444
3
Stifigkeitsmatrix[ Q ]
⇔ ∆T = 30°C
⇔ ∆T = 150°C
Transformation bei gedrehter Faserrichtung
 cos 2 α

[Tσ ] =  sin 2 α
sin α cos α

sin 2 α
cos α
− sin α cos α
2
 cos 2 α

[Tε ] =  sin 2 α
 2 sin α cos α

{ε } = [T ] ⋅ {ε }
xy
ε
{σ } = [T
xy
σ
|| ⊥
− 2 sin α cos α 

2 sin α cos α 
cos 2 α − sin 2 α 
sin 2 α
cos 2 α
− 2 sin α cos α
{σ } = [T ] ⋅ {σ }
xy
σ
||, ⊥=> x, y
|| ⊥
− sin α cos α 

sin α cos α 
cos 2 α − sin 2 α 
[Q] = [Tσ ] ⋅ [Q] ⋅ [Tσ ]T
] ⋅ [Q] ⋅ [Tσ ]T ⋅ {ε xy }− [Tσ ] ⋅ [Q] ⋅ {α t }⋅ ∆T
[ S ] = [Tε ] ⋅ [ S ] ⋅ [Tε ]T
{σ } = [Q] ⋅ {ε }− [Q
xy
xy
αt
] ⋅ ∆T
Transformationsmatrizen voll besetzt, d. h. es entstehen Schubeffekte bei Verformung,
genauso bei Temperaturlasten ∆T .
4. Mehrschichtverbunde - Klassische Laminattheorie
Zielsetzungen der Laminatanalyse sind:
- Aus den Eigenschaften (den UD-Daten) der einzelnen Schichten (also den E-Moduli,
Wärme- und Feuchtedehnungskoeffizienten) auf diejenigen des Laminats zu schließen
- Aus Belastungen (Schnittkräften) im Laminat (mechanische, aber auch Temperaturund Feuchteänderungen) auf Dehnungen und insbesondere Spannungen in den
einzelnen Schichten zu schließen. Denn dort sind ja die (zumindest die meisten)
Versagenskriterien definiert.
- Daraus letztlich eine Optimierung des Laminataufbaus vorzunehmen, also
Schichtdicken, Faserwinkel, ggf. auch Faserarten und Schichtreihenfolgen zu
bestimmen.
Die klassischen Annahmen sind:
Seitens des Werkstoffs:
- Die UD-Schicht ist „homogenisiert“ d. h. Matrix und Faser werden „verschmiert“
betrachtet und die Schicht mit homogenen Kennwerten wie Ex, Ey beschrieben
- Die UD-Schicht ist bezüglich ihrer Kenndaten orthotrop (was natürlich eventuelle
Isotropie mit einschließt) und linear elastisch, was für die meisten
Faserverbundwerkstoffe gut zutrifft
Seitens des Dehnungs- bzw. Spannungszustandes:
- Vollkommene Verklebung
- Die Klebschicht sei infinitesimal dünn und erlaube keine Schubverformungen in
Ebenen senkrecht zur Schichtebene
- Eine ebene Schnittfläche orthogonal zur Mittellinie bleibt auch nach der Verformung
eben und orthogonal
- Spannungen in z-Richtung treten nicht auf (ebener Zustand)
- Die Verschiebungen sind klein gegenüber der Laminatdicke
1
E-Modul:
E x , ges =
 nx 
n 
 y
 n xy   A
 =
 mx   B
 my 
 
m xy 
εx 
ε 
 y
B  γ xy 
⋅ 
D   κ x 
κ y 
 
κ xy  0
t ges
(t1 ⋅ E x ,1 + t 2 ⋅ E x , 2 + t 3 ⋅ E x ,3 + ...)
n
Aij = ∑ Q ij ( k ) (hk − hk −1 )
k =1
n
Membransteifigkeit
Bij = ∑ Q ij ( k ) (hk − hk −1 )
Koppelsteifigkeit
Dij = ∑ Q ij ( k ) (hk − hk −1 )
Biegesteifigkeit
k =1
n
2
3
2
3
k =1
Beachte, dass ABD-Matrix auf Breiteneinheit bezogen ist (…/b).
6.
7.
8.
9.
Die wesentlichen Schritte der Laminatanalyse
sind also:
1. Bestimmung
der
Steifigkeiten/
Werkstoffgesetze jeder Schicht in ||, ⊥
2. Transformation dieser Steifigkeiten in
das Laminat-KS x, y
3. Bestimmung der hk mit k = 1..n
4. Ermittlung der Matrizen [A], [B] und [D]
5. Ermittlung der Schnittgrößen {n} und
(hier : t k = hk )
{m} bzw. Lasten (Lasten/Länge!!)
Bestimmung der Membrandehnungen {ε 0 } und {κ }
Berechnung der Dehnungen in jeder Schicht zunächst in Laminat-KS und
Transformation in das jeweilige UD-System
Bestimmung der Spannungen im UD-System
Verarbeitung dieser Spannungen in einem zur Schicht gehörendem
Versagenskriterium
Die Wärmeausdehnung ist in Faserrichtung
relativ gering, quer dazu jedoch relativ groß,
durch geschickten Aufbau lässt sich damit eine
quasi Null-Ausdehnung realisieren.
Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundes:
{α }ges = [A]−1 ⋅ ∑ [Q]k ⋅ {α }k ⋅ t k
n
k =1
Temperaturbeanspruchung des Laminates:
Zwangsdehnung:
Effektiver Wärmeausdehnungskoeffizient:
εx 
 ε x  α x 
 
   
 ε y  =  ε y  −  α y  ⋅ ∆T
γ 
   
 xy M γ xy  α xy 
α t , x , ges =
{n } = ∆T ∑[Q] ⋅ {α }⋅ (h
n
=>
T
k =1
k
t
k
− hk −1 )
ε x , ges
∆T
(bleibt auch bei Drehung des KS konst.)
{m } = 12 ∆T ∑ [Q] ⋅ {α }⋅ (h
n
T
k =1
k
t
k
2
− hk −1 )
2
5. Bruchverhalten
TSAI
Schadensarten:
Zug in Faserrichtung
Da Bruchdehnung von Fasern geringer als von Matrix, Versagenseintritt durch Reißen
einzelner Fasern => Schubspannungen in der Matrix. Nach Faserrissen sowie Schubbrüchen
in den Verbindungen zwischen Faser und Matrix tritt schließlich auch der Dehn- und
Schubbruch der Matrix ein, wenn deren Bruchdehnung bzw. Schubfestigkeit erreicht ist.
Zugeordnetes Versagenskriterium: σ || ⋅ j ≤ σ || ZB
Druck in Faserrichtung:
Druck bewirkt Querdehnungen senkrecht zur Faser, die die ertragbare Zugdehnung senkrecht
zur Faserrichtung überschreiten können. Zugrunde legen muss man also die maximal
Dehnung senkrecht zur Faser.
E||
ε ⊥ ZB
Zugeordnetes Versagenskriterium: σ || ⋅ j ≤ −
ν || ⊥
Zug senkrecht zur Faser
Reines Matrixversagen oder ein Versagen der Verbindung zwischen Faser und Matrix.
Zugeordnetes Versagenskriterium: σ ⊥ ⋅ j ≤ σ ⊥ ZB
Druck senkrecht zur Faser
Gleitbrüche betreffen Matrix bzw. Verbindung zwischen Faser und Matrix, Bruch meist in
45° zur Kraftrichtung.
Zugeordnetes Versagenskriterium: σ ⊥ ⋅ j ≤ σ ⊥ DB
Pauschalbruchkriterien für die UD-Schicht:
Max. Spannung:
z.B. σ || ⋅ j ≤ σ || ZB
Max. Dehnung:
z.B. ε || ⋅ j ≤ ε || ZB
Gestaltänderungshypothese (Tsai-Hill):
 σ ||

σ
 ||ZB
2
  σ ||
σ
 −
⋅ ⊥
 σ
  ||ZB σ ⊥ ZB
2
 σ || 

 ≤ 1,
σ 
 ||ZB 
 σ⊥

 σ ⊥ ZB
  σ⊥
+
 σ
  ⊥ ZB
2
  τ#
 + 
  τ #B
2

 ≤ 1 ,

2

 ≤ 1

bzw. DB bei auftretenden Druckspannungen.
Bruchverhalten mehrschichtiger Laminate:
Um die Bruchsicherheit des Laminates beurteilen zu können, muss das Verhalten der
einzelnen UD-Schicht, des Laminates nach Versagen der ersten Schicht und der Verbindung
zwischen den einzelnen Schichten betrachtet werden.
Für die Untersuchung der UD-Schichten können die Bruchkriterien herangezogen werden.
Dabei ist zu unterscheiden, ob ein Matrix- oder Faserbruch vorliegt, denn Matrixversagen
muss nicht unbedingt zum Versagen des Laminates führen, Faserbrüchen hingegen folgt
zumeist ein Versagen des kompletten Laminates.
Sobald eine UD-Schicht versagt, muss iterativ eine neue Steifigkeit des Laminates berechnet
werden, sowie Dehnungen und Spannungen in den verbliebenen Schichten.
Das Versagen der Verklebung zwischen einzelnen Schichten wird auch als Delamination
bezeichnet, hervorgerufen durch Schubbeanspruchung oder senkrecht zur Verklebung
auftretenden Normalspannungen (Schälspannungen). Schälspannungen treten im Bereich von
Krafteinleitungen sowie Bohrungen (also Rändern) auf.
Umwelteinflüsse auf das Festigkeitsverhalten faserverstärkter Werkstoffe:
Bei tiefen Temperaturen wachsen zunächst die Eigenspannungen aufgrund steigendem ∆T
zur Aushärtetemperatur. Allerdings steigen gleichzeitig die Festigkeitswerte senkrecht (!) zur
Faserrichtung.
Temperatur und Feuchtigkeit nehmen wesentlichen Einfluss auf die von der Matrix
bestimmten Festigkeitswerte, wobei die faserbestimmten Werte relativ unbeeinflusst bleiben.
6. Interlaminare Spannungen und 3-D Effekte
Das in der Praxis häufig auftretende Versagen aufgrund Delamination ist ein typisches
Beispiel für das Einwirken und Vorhandensein eines echten dreidimensionalen
Beanspruchungszustandes. Interlaminare Spannungen sind am kritischsten an freien Rändern,
treten jedoch auch an geometrischen Diskontinuitäten wie z. B. Rippenanbindungen.
Für den dreidimensionalen Betrachtungsfall müssen zusätzliche Werte bereitstehen.
Aufdickung und Abstufungen:
Designregeln für abgestufte Bauteile:
- Stufenhöhe so gering wie möglich halten, nicht mehr als zwei Lagen gleichzeitig
aufdicken
- Aufdickung immer symmetrisch auf beiden Seiten des Laminates
- Abstufung zwischen Aufdickungen 5-20 mal so groß wie Aufdickung
- Aufdickungen mit umschließenden Lagen einfassen
Der freie-Rand-Effekt:
7. FVW bei hohen und tiefen Temperaturen
Hohe Temperaturen:
Während die C-Faser auch bei höheren und hohen Temperaturen (1000°C und mehr) ihre
mechanischen Basiseigenschaften behält, ist das Verbundverhalten dann eher durch die
Schwachstelle Matrix bestimmt. Dies gilt insbesondere für Kunststoffe, mit ihren
Glasübergangstemperaturen Tg von 120-300°C. Für besonders hohe Temperaturen (über
800°C) kommen als Werkstoffe dann (faserverstärkte) Keramiken in Betracht.
Tiefe Temperaturen:
Eine einsetzende Versprödung der Kunststoffmatrix bei tiefen Temperaturen wirkt sich eher
wenig auf den FVW aus, denn die Bruchdehnungen werden ohnehin von der Faser bestimmt,
welche sich bei tiefen Temperaturen kaum verändert. Senkrecht zur Faser lassen sich dagegen
sehr große Steifigkeitszunahmen bei tiefen Temperaturen beobachten.
Beachtet werden müssen allerdings bei sehr tiefen Temperaturen auftretenden
Eigenspannungen im Verbund durch sehr große Temperaturgradienten bezogen auf
Aushärtungstemperaturen. Tief aushärtende Harzsysteme sind daher von Vorteil.
8. Entwurfs- und Berechnungsmethoden
Die Schwierigkeit, das Laminat bei Festigkeitsproblemen optimal zu gestalten, liegt in der
gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Laminatschichten. Modifikationen des Winkels
oder der Dicken einer einzelnen Schicht ändern zunächst nur den Beitrag, den diese Schicht
zur Gesamtsteifigkeit des Laminates liefert. Die Zusammenhänge zwischen den
Laminatvariablen und der Laminatfestigkeit sind nichtlinear und erfordern daher numerische
Optimierungsverfahren zur Problemlösung.
Steifigkeit:
Es gilt hier die einfache Regel, dass die Fasern in Richtung der geforderten Steifigkeit
orientiert werden müssen. Fasern, die nicht in dieser Richtung liegen, tragen aufgrund der
starken Richtungsabhängigkeit dieser Eigenschaft nicht zur Erhöhung der Steifigkeit bei.
Anders als bei Festigkeitsproblemen wirken sich ungünstig“ orientierte Fasern nicht
verschlechternd aus.
Gemäß des Steinerschen Anteils zur Biegesteifigkeit (je größer die Entfernung zur neutralen
Faser, desto höher der Beitrag zur Biegesteifigkeit) sollten die Schichten, die die
Hauptbiegebelastung aufnehmen sollen, möglichst nahe an der Außenfläche des Laminates
positioniert werden.
Festigkeit:
Im Falle eines einachsig zug-, druck- oder biegebeanspruchten Bauteils ist die optimale
Faserorientierung natürlich mit der Beanspruchungsrichtung identisch. Dieser Sonderfall tritt
aber nur bei sehr wenigen Bauteilen auf. Es ist auch sehr leicht nachvollziehbar, dass ein
(0°/90°)-Fasernetz eine reine Schubbeanspruchung in der Faser nicht aufnehmen kann,
sondern hierzu sinnvoller Weise ein (±45°)-Fasernetz verwendet werden muss.
9.Fertigungstechniken
Lieferformen der Ausgangsmaterialien
(Halbzeuge)
- Kurzfasern
- Endlosfasern (auf Spulen)
- Fäden/Garne (auf Spulen)
- Gewebe (2-D, 3-D, Gestrick)
- Prepregs (bereits in Harz getränkt,
enge
Temperaturund
Luftfeuchtigkeitsgrenzen)
Fertigungsverfahren
Allgemein:
- Einbringen von Stoffkomponenten in die Form wird als Laminieren bezeichnet, die
Vernetzung der Matrix als Härteverfahren
- Unterschieden wird zwischen manuellen (Prepregs, Kleinserien), halbmechanischen
(Injektionsverfahren) und mechanischen Verfahren (Wickeln)
- Je nach Stückzahlen und geforderten Genauigkeiten ist den verwendeten Formen
besondere Beachtung zu schenken, inwieweit sie sich bei der Aushärtung verformen
und welchen Drücken sie standhalten. Sie können aus Metall, Salzen, Mörtel oder
Kunststoffen bestehen
Nasslaminieren:
1. Auftragen eines Trennmittels auf
Oberfläche
2. Einstreichen einer Deckschicht
3. Gewebelagen schichtweise, nass-innass aufbringen
4. Abschluss oft ein Abreisgewebe für
Oberflächenanrauung
5. Aushärtung
oft
drucklos
bei
Raumtemperatur
Als Marix flüssige Harze (Epoxid und Polyester)
Geringer Werkzeugaufwand, geringe Investitionskosten, geringe Faseranteile realisierbar
Vakuumpressen:
Beim Vakuumpressen wird das zuvor
handlaminierte Bauteil mit der Form in einen
Foliensack geschoben und die darin
befindliche Luft abgesaugt. Die Folie presst
sich auf das Laminat und drückt es gegen die
Form.
Überschüssiges
Harz
wird
herausgedrückt, der Faseranteil wird erhöht
Autoklav-Verfahren:
Aufwendiges Verarbeitungsverfahren daher Anwendung bei komplexen Bauteilen mit hohen
Anforderungen, es werden höchste Festigkeiten erreicht. Häufig bei Verwendung von
Prepregs, bedingt lange Taktzeiten, daher für eher für Einzelstücke.
1. Ablegen einzelner Prepreg-Lagen
2. Abdecken mit Vakuumfolie
3. Vakuum anlegen
4. Aufbau in den Autoklaven bringen
5. Aushärten unter Druck und hoher Temperatur
6. Abkühlen und Entnehmen
Injektionsverfahren:
Die Imprägnierung mit Harz erfolgt erst nach
dem Schließen der Form, indem die Matrix in
die Form eingespritzt oder eingesaugt wird.
Harz/Matrixsysteme
müssen
hierbei
dünnflüssig sein.
Auch bezeichnet als RTM-Verfahren (resin
transfer moulding).
Wickeln:
Beim Wickeln werden die Fasern, welche
vorher durch ein Tränkbad laufen auf einen
Postivkern aufgewickelt, daher vorwiegend für
die Herstellung von rotationssymmetrischen
Bauteilen
geeignet.
Wirtschaftlich,
da
weitgehend
automatisierbar
und
reproduzierbar.
Pressverfahren:
Geeignet für die Herstellung von großen
Stückzahlen da gut reproduzierbar und
automatisierbar in hohen kurzen Taktzeiten.
Verwendung von Heizungen kann zusätzliche
Aushärtungstemperaturen
zur
Verfügung
stellen.
Spritzgießen mit Kurzfasern:
Kurzfasern von 0,1 – 1 mm Länge werden mit dem Kunststoffgranulat gleichzeitig von der
Spritzgussanlage in die Gussform eingebracht. Geeignet für hohe Maßgenauigkeiten und
sekundär geforderten Steifigkeiten (Sportartikel, SnowBoard-Bindung).
Härteverfahren
Autoklavhärtung:
Verwendung, wenn zur Aushärtung definierter Druck- und Temperaturverlauf notwendig ist.
-
Evakuieren der umschließenden
Folie
- Aufheizen auf 125°C (2°C/min)
- Druck von 7 bar aufbringen
- Haltezeit 30min
- Aufheizen auf 180°C
- Haltezeit 60min
- Abkühlen und anschließend Druck
ablassen
=> Gesamtzeit 4 Stunden
Ofenhärtung:
Für eine Ofenhärtung kommen Harzsysteme in Frage, bei denen ein Teilvakuum mit Aufheizen zum
Aushärten ausreicht. Der Ablauf ist ähnlich dem Autoklavverfahen, jedoch wird dabei kein Druck
aufgebaut. Aushärtung auch in einer beheizten Form möglich. Diese Art der Härtung ist vorteilhaft bei
großen Bauteilen, für die Autoklaven oder Öfen mit ausreichenden Abmessungen nicht verfügbar sind.
Pressenhärtung:
Vorteilhaft bei kleinen Bauteilen einfacher Geometrie aber sehr engen Toleranzen.
Bearbeitung
Zur spangebenden Formgebung faserverstärkter Werkstoffe können grundsätzlich die gleichen
Verfahren angewendet werden wie in der Metall- und Holzbearbeitung. Die Standzeiten der
Werkzeuge sind zum Teil jedoch erheblich geringer als bei der Metallbearbeitung. In der Regel
werden FVW-Bauteile nur an ihren Rändern beschnitten (Sägen, Schleifen), sowie mit Bohrungen
versehen. Grundsätzlich sind solche mechanischen Bearbeitungsvorgänge zu vermeiden, da sie den
Faserverlauf zerstören. Die bei der Metallbearbeitung üblichen Kühlflüssigkeiten sind in der Regel
nicht verwendbar, daher ist im Regelfall Wasserkühlung zu bevorzugen. Der Gefahr der
Wasseraufnahme durch faserverstärkte Kunststoffe kann durch schnelle Abführung und als baldige
Trocknung entgegengewirkt werden.
Verbindungen
Schraube:
Vorgespannte Schraubenverbindungen sind auch bei Faserverbundbauteilen möglich. Wird dabei das
Laminat senkrecht zur Laminatebene beansprucht, so müssen die geringe Steifigkeit in dieser
Richtung und das Kriechverhalten der Kunststoffmatrix berücksichtigt werden, um den durch Reibung
übertragbaren Lastanteil sicher beurteilen zu können. Vorgespannte Schraubenverbindungen, bei
denen das Laminat in Faserrichtung beansprucht wird, werden problemlos und erfolgreich (z. B. bei
der Befestigung von Rotorblättern an der Nabe beim DNW und bei Windenergieanlagen) eingesetzt.
Im Hinblick auf das Kriechverhalten der Matrixwerkstoffe sind größere und dickere Unterlegscheiben
zu verwenden als bei zu verschraubenden metallischen Bauteilen. Erfolgt die Kraftübertragung
planmäßig über Scherbolzen und Lochleibung, so ist der Passung besondere Aufmerksamkeit zu
widmen: Presspassungen können im Bohrungsbereich Delaminationen und Harzbrüche zur Folge
haben, sind daher also zu vermeiden. Zu wählen sind leichte Übergangspassungen, etwa H8/f7.
Wegen der geringen Druck- und Scherfestigkeit des Matrixharzes sind bei hoch belasteten Schrauben
und Bolzenverbindungen örtliche Verstärkungen in Form von Einsätzen, Buchsen oder einlaminierten
Blechen notwendig. Dabei ist dann jedoch wegen des unterschiedlichen Wärmedehnungsverhaltens
bei Temperaturänderungen mit entsprechenden Temperaturspannungen zu rechnen.
Co-Curing:
Aufbringen von zusätzlichen Bauteilen vor dem Aushärten, dann gleichzeitiger Aushärtungsprozess.
Zum Beispiel das Anbringen von Verstärkunsgstreben anstelle der Verwendung einer
Klebeverbindung.
Kleben:
Die Klebverbindung ist die den Faserverbundwerkstoffen mit Kunststoffmatrix adäquate
Verbindungstechnik. Druck und Temperatur für die Kleberaushärtung sollten deutlich unterhalb der
Werte für die Aushärtung der zu verklebenden Bauteile liegen. Harzsysteme für beteiligte Bauteile
und Klebersysteme sind aufeinander abzustimmen.
10. Werkstoffprüfung, Qualitätssicherung
Zerstörende Prüfung:
Z. B. Zugversuche, Biegeversuche, Scherversuche mit Proben, die im selben Arbeitsgang wie
das zu fertigende Werkstück hergestellt worden sind, d. h. die aus denselben Materialien sind
und die denselben Härtungsprozess unterlaufen haben.
Zerstörungsfreie Prüfung:
- Sichtkontrolle (Verfärbung, Kratzer, Blasen, Beulen, Abschälungen, Bereiche von
Harzmangel, Harzanreicherung…)
- Ultraschallprüfung
- Röntgen, CT
- Akustische Verfahren (Schallwellen und Messung von Strukturantwort)
- Thermische Verfahren (Veränderung von Wärmeleitfähigkeiten bei Veränderung des
Laminataufbaus)
- Optische Verfahren (Messung von Verformungen)
11. Fasergerechte Bauteilauslegung
Anschlüse: