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Faserverbundwerkstoff

Ein Faserverbundwerkstoff ist ein aus im Allgemeinen zwei Hauptkomponenten (einer bettenden Matrix sowie verstÀrkenden Fasern) bestehender Mehrphasen- oder Mischwerkstoff. Durch gegenseitige Wechselwirkungen der beiden Komponenten erhÀlt dieser Werkstoff höherwertige Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Im Unterschied zu bisherigen Verbundwerkstoffen, wie zum Beispiel Stahlbeton, wird mit der EinfĂŒhrung extrem dĂŒnner Fasern (einige ”m Durchmesser) unter Anderem der Effekt der spezifischen Festigkeit genutzt. Dieser Zusammenhang wurde in den zwanziger Jahren von Griffith entdeckt und lautet: Ein Werkstoff in Faserform hat in Faserrichtung eine vielfach grĂ¶ĂŸere Festigkeit als dasselbe Material in anderer Form. Je dĂŒnner die Faser ist, desto grĂ¶ĂŸer ist ihre Festigkeit. Die Ursache hierfĂŒr liegt in einer zunehmenden Gleichrichtung der MolekĂŒlketten mit abnehmender zur VerfĂŒgung stehender FlĂ€che. Zudem werden zum Bruch fĂŒhrende Fehlstellen (weakest link theory) im Material auf sehr große AbstĂ€nde verteilt, sodass die Fasern weitgehend frei von Fehlstellen sind, die einen Bruch verursachen können. Da bei gleicher Festigkeit die schwere, feste Komponente eingespart und durch eine leichtere ersetzt werden kann, entsteht ein Werkstoff mit einer hohen spezifischen Festigkeit (VerhĂ€ltnis aus Festigkeit und Gewicht). Außerdem fĂŒhrt ein Fehler im Material nicht zum Versagen des gesamten Bauteils, sondern vorerst nur zum Bruch einer einzelnen Faser im Verbund.

Da die Fasern je nach Beanspruchung ausgerichtet und in ihrer Dichte (Anzahl pro FlĂ€che) angepasst werden können, entstehen mit Hilfe entsprechender Herstellungsverfahren maßgeschneiderte Bauteile. Um die Festigkeit in verschiedene Richtungen zu beeinflussen, werden statt einzelner Fasern Gewebe oder Gelege verwendet, die vor dem Kontakt mit der Matrix hergestellt werden.

Funktionsweise

Die höherwertigen Eigenschaften eines Faserverbundwerkstoffes werden erst durch das Zusammenspiel beider Komponenten erreicht. Aus zwei Komponenten ergeben sich somit drei wirkende Phasen im Material: Sehr zugfeste Fasern, eine relativ weiche, sie bettende Matrix und eine beide Komponenten verbindende Grenzschicht.

Bedingungen fĂŒr die VerstĂ€rkungswirkung von Fasern

Nicht alle Kombinationen von Faser- und Matrixwerkstoffen fĂŒhren zu einer Erhöhung der Festigkeit und der Steifigkeit des neuen Verbundes. Es mĂŒssen drei Bedingungen erfĂŒllt sein, damit in faserparalleler Richtung eine VerstĂ€rkungswirkung eintritt:

  1. EFaser, lÀngs > EMatrix
    Der ElastizitĂ€tsmodul der Faser in LĂ€ngsrichtung muss grĂ¶ĂŸer sein als der ElastizitĂ€tsmodul des Matrixwerkstoffs.
  2. ΔBruch, Matrix > ΔBruch, Faser
    Die Bruchdehnung des Matrixwerkstoffs muss grĂ¶ĂŸer sein als die Bruchdehnung der Fasern.
  3. RFaser, lÀngs > RMatrix
    Die Bruchfestigkeit der Fasern muss grĂ¶ĂŸer sein als die Bruchfestigkeit des Matrixwerkstoffs.

Senkrecht zur Faser tritt in der Regel keine Steigerung der Festigkeiten auf. Grund ist die DehnungsvergrĂ¶ĂŸerung.

Aufgaben der Komponenten

  • Die Matrix gibt dem Faserverbundwerkstoff sein Aussehen. Sowohl der Farbe als auch der OberflĂ€chenstruktur sind kaum Grenzen gesetzt. In mechanischer Hinsicht muss sie die verstĂ€rkenden Fasern in ihrer Position halten und Spannungen zwischen ihnen ĂŒbertragen und verteilen. In Bezug auf die Dauerhaftigkeit hat sie die Aufgabe, die Fasern vor Ă€ußeren mechanischen und chemischen EinflĂŒssen zu schĂŒtzen.
  • Die Fasern geben dem Faserverbundwerkstoff die notwendige Festigkeit. Neben der Zugfestigkeit kann, falls der Werkstoff auf Druck beansprucht wird, auch die Biegefestigkeit eine Rolle spielen.
  • Die Grenzschicht dient der SpannungsĂŒbertragung zwischen den beiden Komponenten. Sie ĂŒbertrĂ€gt ausschließlich Schub und kann sehr abstrakte Formen annehmen, wenn der Schub beispielsweise ĂŒber reine Reibung erfolgt. In anderen FĂ€llen jedoch, beispielsweise bei Schub ĂŒber Klebehaftung, ist sie herstellungstechnisch gewollt und physisch vorhanden. Im letzteren Fall werden die Fasern vor dem ersten Kontakt mit der Matrix mit einem Kopplungsmittel beschichtet, welches chemisch mit beiden Komponenten reagieren kann und einen möglichst ununterbrochenen Übergang garantiert.

Ein wichtiger Faktor bei der Bemessung von Faserverbundwerkstoffen ist das VolumenverhĂ€ltnis (Faservolumenanteil) zwischen Fasern und Matrix. Je höher der Anteil an Fasern ist, desto fester, jedoch auch starrer und spröder wird der Werkstoff. Dies kann zu Problemen fĂŒhren, wenn gewisse Verformungen ĂŒberschritten werden.

Prinzip der KraftĂŒbertragung

Abb.:1 Veranschaulichung der SpannungsĂŒbertragung in Faserverbundwerkstoffen mit Darstellung der mitwirkenden LĂ€nge und der Spannungsverteilung in der Faser.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist es im Falle einer konzentriert aufgebrachten Zugkraft unmöglich, diese direkt an den Fasern angreifen zu lassen, da diese immer von einer Matrixschicht ĂŒberdeckt sind. Die Zugkraft wirkt somit nur auf die Matrix in Form von konzentrierten Spannungen und wird von dieser auf die nĂ€chstliegendsten Fasern verteilt. Die GrĂ¶ĂŸe dieses „Ausbreitfeldes“ (die mitwirkende LĂ€nge einer Faser) hĂ€ngt vom SpannungsverhĂ€ltnis zwischen Faser und Matrix ab: Eine weiche Matrix kombiniert mit steifen Fasern ergeben große mitwirkende LĂ€ngen, eine steife Matrix mit weichen Fasern ergibt kleine mitwirkende LĂ€ngen. Spannungen mĂŒssen jedoch nicht unbedingt in konzentrierter Form aufgebracht werden, eine Variante zur Erzeugung von Zugspannungen ist zum Beispiel ein aufgebrachtes Drehmoment. Das Wirkungsprinzip Ă€ndert sich nicht.

Abb.:2 Veranschaulichung des Funktionsprinzips druckbeanspruchter, in eine Matrix eingebetteter Fasern.

Im Falle von lĂ€ngs zum Faserverlauf wirkendem Druck, wie er auch bei Biegung auftritt, funktioniert die Matrix wie eine Bettung und die Faser (das FaserbĂŒndel) wie ein elastisch gebetteter Balken, siehe auch Abbildung 2. Hier sind wichtige Materialeigenschaften die Matrixsteifigkeit k und die Biegesteifigkeit der Faser E·I (Steifigkeit multipliziert mit dem FlĂ€chentrĂ€gheitsmoment). Die Berechnung wird nun sehr viel komplexer, da nun außer der schieren Zugfestigkeit der Faser auch deren Durchmesser wegen des FlĂ€chentrĂ€gheitsmoments eine Rolle spielt. Der Fall Druck wird seit Mitte der sechziger Jahre des 20. Jahrhunderts erforscht und stellt noch heute eine wissenschaftliche Herausforderung dar. Durch Rechnereinsatz und moderner FEM Programme wird gegenwĂ€rtig versucht, die theoretischen AnsĂ€tze numerisch zu beweisen und nachzuvollziehen. Die Probleme liegen einerseits in der Tatsache, dass es sich um ein StabilitĂ€tsproblem handelt und somit schon kleinste VerĂ€nderungen in der Werkstoffzusammensetzung erhebliche Auswirkungen auf die ertragbaren KrĂ€fte haben können. Zum anderen versagt ein hochentwickelter Mehrphasenwerkstoff in vielfĂ€ltiger Weise und unterschiedliche Mechanismen wechseln sich wĂ€hrend des Versagens ab und bedingen sich teilweise gegenseitig. Druckversagen findet sehr plötzlich, schnell und teilweise ohne Vorwarnung statt. Somit ist er sehr schlecht zu beobachten, was die Analyse erschwert.

Materialien

Neben den rein mechanischen Eigenschaften, also der notwendigen berechneten Festigkeit, spielen vor allem Dauerhaftigkeits- und Preisfragen eine große Rolle bei der Wahl der Materialien. Um ein gutes Funktionieren zu gewĂ€hrleisten, sollten die Steifigkeiten der beiden Komponenten aufeinander abgestimmt werden, so dass sich auftretende Kraftspitzen gut im Material verteilen können. Im Einzelnen werden folgende Materialien eingesetzt:

Fasern

  • Glasfasern
    Glasfasern sind hauptsĂ€chlich wegen ihres relativ geringen Preises die am hĂ€ufigsten verwendeten Fasertypen. Es gibt Glasfasertypen fĂŒr unterschiedliche Einsatzgebiete.
  • Kohlenstofffasern
    Siehe dort.
  • Keramikfasern
    Endlose Keramikfasern aus Aluminiumoxid, Mullit (Mischoxid aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid), SiBCN, SiCN, SiC etc. sind teure Spezialfasern fĂŒr hochtemperaturbelastbare Verbundwerkstoffe mit einer Keramikmatrix. Die nicht-oxidischen Fasern werden, Ă€hnlich wie Kohlenstofffasern, aus organischen Harzen gewonnen, in denen neben Kohlenstoff auch Silicium enthalten ist.
  • Aramidfasern
    Siehe dort.
  • Borfasern
  • Basaltfasern
    Basaltfaser ist eine Mineralfaser, die wegen ihrer guten chemischen BestÀndigkeit und Temperaturfestigkeit vorwiegend im BehÀlter- und Fahrzeugbau verwendet wird.
  • Stahlfasern
    Stahlfasern werden hauptsÀchlich im Bauwesen bei Stahlfaserbeton verwendet. Diese Anwendung ist stark im wachsen und hat besonders wirtschaftliche Vorteile.
  • Naturfasern
    Die am hĂ€ufigsten fĂŒr die Produktion von Faserverbundwerkstoffen eingesetzten Fasern sind die heimischen Holzfasern, Flachs- und Hanffasern sowie subtropische und tropische Fasern wie Jute-, Kenaf-, Ramie- oder Sisalfasern.
  • Nylonfasern
    Fasern mit einer hohen Bruchdehnung sind von Vorteil, wenn das Bauteil StĂ¶ĂŸe aufnehmen muss und diese Eigenschaft fĂŒr die Bemessung maßgebend ist.

Matrix

Die Wahl der Matrix teilt die Faserverbundwerkstoffe in zwei Gruppen: Faser-Kunststoff-Verbunde (verstÀrkter Kunststoff, faserverstÀrkte Kunststoffe) und Andere.

WĂ€hrend die Kunstharze und Elastomere bis zu ihrer AushĂ€rtung flĂŒssig vorliegen, sind Thermoplaste bis ca. 150 Â°C (teilweise bis 340 Â°C) fest. Die duroplastischen Kunstharze sind in der Regel glassspröde und verformen sich nicht plastisch. FaserverstĂ€rkte Kunststoffe aus Thermoplaste lassen sich unter Hitze nachtrĂ€glich umformen. Die Mikro- und MakrotrĂ€nkung der Fasern ist bei Kunstharzen einfacher als bei festen Thermoplasten. Thermoplaste werden zur TrĂ€nkung erhitzt oder in einem Lösungsmittel gelöst.

In den letzten Jahren wurde die Forschung im Bereich der Biopolymere stark intensiviert. Durch den Einsatz von duroplastischen und thermoplastischen Biokunststoffen lassen sich biologisch abbaubare oder dauerhafte Verbundwerkstoffe auf der Basis nachwachsender Rohstoffe herstellen, die oftmals vergleichbare Eigenschaften aufweisen wie natur- und glasfaserverstÀrkte erdölbasierte Polymere.

Typen und Herstellungsverfahren

Laminate

Die Gruppe der Laminate nutzt alle Vorteile der individuellen Faserausrichtung. Sie bestehen meist aus mehreren ĂŒbereinander gelegten Faserhalbzeugen (z.B. Gewebe, Gelege, Matten) mit unterschiedlichen Hauptfaserrichtungen. FĂŒr ihre Herstellung gibt es mehrere Verfahren:

  • Handlegeverfahren
    Die Faserhalbzeuge (Gewebe/Gelege/Fasermatten) werden von Hand in eine Form eingelegt und mit Kunstharz getrĂ€nkt. Anschließend werden sie mit Hilfe einer Rolle durch Anpressen entlĂŒftet. Dadurch soll nicht nur die im Laminataufbau vorhandene Luft, sondern auch ĂŒberschĂŒssiges Harz entfernt werden. Dieses Vorgehen wird so oft wiederholt, bis die gewĂŒnschte SchichtstĂ€rke vorhanden ist. Man spricht auch von einem „Nass in Nass“-Verfahren. Nach dem Aufbringen aller Schichten hĂ€rtet das Bauteil durch die chemische Reaktion des Harzes mit dem HĂ€rter aus. Das Verfahren stellt keine großen AnsprĂŒche an die Werkzeuge und ist auch fĂŒr sehr große Bauteile geeignet. Es wird oft im Serienbau eingesetzt, wo zwar leichte Bauteile erwĂŒnscht sind, aber auch kostengĂŒnstig produziert werden soll.
    Vorteile sind geringer Werkzeug- und Ausstattungsaufwand, dem gegenĂŒber stehen die geringere BauteilqualitĂ€t (geringerer Fasergehalt) und der hohe manuelle Aufwand, der geschulte Laminierer voraussetzt. Die offene Verarbeitung des Harzes stellt hohe AnsprĂŒche an den Arbeitsschutz.
  • Handauflegen mit Vakuumpressen
    Nach dem Einbringen aller VerstĂ€rkungs- und Sandwichmaterialien wird die Form mit einer Trennfolie, einem Absaugvlies und einer Vakuumfolie abgedeckt. Zwischen der Vakuumfolie und der Form wird ein Unterdruck erzeugt. Dieser bewirkt, dass der Verbund zusammengepresst wird. Eventuell noch enthaltene Luft wird abgesaugt. ÜberschĂŒssiges Harz wird vom Absaugvlies aufgenommen. So kann gegenĂŒber dem Handauflegeverfahren eine noch höhere BauteilqualitĂ€t erzielt werden.
  • Prepreg-Technologie
    Mit Matrixwerkstoff vorimprĂ€gnierte (also bereits getrĂ€nkte) Fasermatten werden auf die Form aufgelegt. Das Harz ist dabei nicht mehr flĂŒssig, sondern hat eine leicht klebrige feste Konsistenz. Der Verbund wird anschließend mittels Vakuumsack entlĂŒftet und danach, hĂ€ufig im Autoklaven, unter Druck und Hitze ausgehĂ€rtet. Das Prepregverfahren ist aufgrund der notwendigen Betriebsausstattung (KĂŒhlanlagen, Autoklav) und der anspruchsvollen ProzessfĂŒhrung (Temperaturmanagement) eines der teuersten Herstellungsverfahren. Es ermöglicht neben dem Faserwickeln und den Injektions- und Infusionsverfahren jedoch die höchsten BauteilqualitĂ€ten. Das Verfahren findet vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport, sowie fĂŒr LeistungssportgerĂ€te Anwendung.
  • Vakuum-Infusion
    Vakuumaufbau
    Fertiges Bauteil
    Bei diesem Verfahren wird das trockene Fasermaterial (Rovings, Matten, Gelege, Gewebe, 
) in eine mit Trennmittel beschichtete Form eingelegt. DarĂŒber wird ein Trenngewebe sowie ein Verteilermedium gelegt, das das gleichmĂ€ĂŸige Fließen des Harzes erleichtern soll. Mittels Vakuum-Abdichtband wird die Folie gegen die Form abgedichtet und das Bauteil anschließend mit Hilfe einer Vakuumpumpe (meist Drehschieberpumpen) evakuiert. Der Luftdruck presst die eingelegten Teile zusammen und fixiert sie. Das temperierte flĂŒssige Harz wird durch das angelegte Vakuum in das Fasermaterial gesaugt. Um zu verhindern, dass ĂŒberschĂŒssiges Harz nach dem Passieren der Fasern in die Vakuumpumpe gerĂ€t, wird vor der Pumpe eine Harzbremse und/oder Harzfalle montiert. Nachdem die Fasern vollstĂ€ndig getrĂ€nkt sind, wird die Harzzufuhr unterbunden und der getrĂ€nkte FVK kann nach dem AushĂ€rten entformt werden. Die AushĂ€rtezeiten sind abhĂ€ngig vom gewĂ€hlten Matrix-Werkstoff (Harz) und der Temperatur. Vorteil dieses Verfahrens ist die gleichmĂ€ĂŸige und fast blasenfreie TrĂ€nkung der Fasern und somit die hohe QualitĂ€t der produzierten Bauteile sowie die Reproduzierbarkeit. Es werden heute schon Bauteile wie zum Beispiel RotorblĂ€tter fĂŒr Windkraftanlagen mit einer LĂ€nge von mehr als 50 Metern mit diesem Verfahren gefertigt. Weiterentwicklungen zum Vakuuminfusionsverfahren sind das Differential Pressure Resin Transfer Moulding (DP-RTM) und Single Line Injection-Verfahren (SLI).
  • Faserwickeln
    Das Faserwickelverfahren ist eine Technik zum Ablegen von EndlosfaserstrĂ€ngen (Rovings) auf einer (zumindest annĂ€hernd) zylindrischen Form. Mit diesem Verfahren werden Fasern sehr straff und eng aneinander liegend mit einer hohen Maßgenauigkeit positioniert. Zum Wickeln der Fasern ist ein Körper notwendig, der dem Bauteil seine spĂ€tere Gestalt gibt. Diesen Körper nennt man wie beim Urformen ĂŒblich Kern. Auch beim Faserwickeln unterscheidet man zwischen verlorenen und wiederverwendbaren Kernen.
    Verlorene Kerne werden meist aus leichtem Hartschaum gefertigt, der entweder im Bauteil verbleibt oder chemisch aufgelöst wird.</br>Bei gewickelten DruckbehĂ€ltern besteht die Besonderheit darin, dass der dĂŒnnwandige Kern (zum Beispiel aus HD-Polylethylen bestehend) als gasdichte Barriere im Inneren verbleibt. Sind diese sogenannten Liner aus Metall, dann können sie auch mittragend sein und bilden zusammen mit der Matrix aus Verbundwerkstoff ein Hybrid-System. Hier ist der Kern zwar auch „verloren“, ist aber gleichzeitig funktionaler Bestandteil der Konstruktion.</br>Wiederverwendbare Kerne sind meist aus Aluminium gefertigt; sie schrĂ€nken naturgemĂ€ĂŸ die Gestaltungsfreiheit bei der Konstruktion ein, da sich der Kern aus dem Bauteil entfernen lassen muss.
    Beispiele fĂŒr fasergewickelte Teile sind LeuchttĂŒrme, HĂŒllen von Straßenbahnwaggons und Bussen oder Silos.</br>Als TrĂ€nkverfahren sind ĂŒblich:
    • Die Endlosfaser beziehungsweise der Strang wird zunĂ€chst durch ein TrĂ€nkbad gefĂŒhrt, in dem sie mit dem Matrixwerkstoff benetzt wird und dann um eine Form gewickelt wird.
    • Es werden Prepreg-Faserbahnen aufgewickelt, die erst durch ErwĂ€rmen ausgehĂ€rtet werden.
    • Es werden ungetrĂ€nkte Fasern gewickelt, die danach mit einem Harzinjektionsverfahren (siehe oben) getrĂ€nkt werden.
  • Faserspritzen
    Das Faserspritzen ist strenggenommen keine Laminiertechnik, da das Material nicht im Schichten (lat.: lamina) aufgebracht wird. Das Ergebnis und die Anwendung des Materials sind jedoch vergleichbar mit laminierten Produkten, daher wird diese Technik hier mit aufgefĂŒhrt.</br>Beim Faserspritzen werden Endlosfasern (Rovings) von einem Schneidwerk auf die gewĂŒnschte LĂ€nge geschnitten und zusammen mit Harz und HĂ€rter mittels einer Faserspritzpistole in die Form gebracht. ZusĂ€tzlich verwendet man wie beim Handlaminieren eine Laminierrolle, um das Laminat zu verdichten. Der grĂ¶ĂŸte Nachteil dieser Variante ist die deutlich geringere Festigkeit gegenĂŒber laminiertem Gewebe.

Spritzgussteile

Die meisten Teile aus faserverstĂ€rkten Kunststoffen werden kostengĂŒnstig im Spritzgussverfahren hergestellt. Typische Glasfasern zur VerstĂ€rkung können dabei z.B. 11 Â”m dick und 300 Â”m lang sein. Fasern von ĂŒber einem Millimeter LĂ€nge gelten in der Kunststoffverarbeitung schon als "lang". Ein ĂŒblicher Matrixwerkstoff ist beispielsweise Polyamid 6.6, die Beimischung von Glasfasern liegt meist zwischen 20 und 50 Gewichts-%. Ein entsprechender Werkstoff, der zu 35 Gewichts-% mit Glasfasern gefĂŒllt ist, wird mit "PA66GF35" gekennzeichnet. Der Kunststoffhersteller liefert das Material in Form von Pellets in denen die Glasfasern bereits im Matrixwerkstoff eingebettet sind. Beim Aufschmelzen im Extruder und Spritzen dieses Gemisches in die Form richten sich die Fasern entsprechend der Fließrichtung mehr oder weniger stark aus, so dass die Festigkeit im fertigen Bauteil nicht an alle Stellen und nicht in alle Richtungen gleich ist. Glasfasern haben außerdem eine abrasive Wirkung, so dass die Verarbeitung von GlasfaserverstĂ€rktem Thermoplast zu erhöhtem Materialverschleiß der meist stĂ€hlernen Spritzgußform fĂŒhrt, im Vergleich zu unverstĂ€rktem Kunststoff.

Spritzpressteile

Beim Spritzpressen oder auch Resin Transfer Moulding (RTM) können trockenen Fasern in eine Form eingelegt werden und anschließend mit flĂŒssigem Harz unter Druck umströmt werden. Durch WĂ€rme wird das Harz ausgehĂ€rtet. Die Faserorientierung kann dabei durch NĂ€h- und Stickverfahren im Vorformling durch gezieltes Ablegen den LastfĂ€llen angepasst werden.

Strangziehteile

Kompakte und hohle Profile mit Dimensionen von 1 mm Durchmesser bis zu etwa 250 mm x 500 mm Außenabmessungen und weitgehend gleich bleibenden Querschnitten werden sehr effizient im Strangziehverfahren hergestellt. Dabei sind alle Fasern in LĂ€ngenrichtung gleich ausgerichtet, was zu sehr guter Reproduzierbarkeit fĂŒhrt. Die mechanischen Eigenschaften sind im beschrĂ€nkten Maße durch die ZufĂŒhrung von Faserrovings, Matten und Vliesen zu beeinflussen.

Sheet Molding Compounds (SMC)

Bei Sheet Molding Compounds, einer Art von faserverstĂ€rkten Kunststoffen, wird in einer Vorfertigung aus Harzen, HĂ€rtern, FĂŒllstoffen, Additiven, etc. und GlasfaserstĂŒcken bis 50 mm LĂ€nge eine sogenannte Harzmatte gefertigt. Nach eine Reifezeit (Lagerzeit), einige Tage bei ca. 30 – 40 Â°C, erhöht sich die ViskositĂ€t der Harzmatte von honigartig auf wachsfest bis lederartig. Bei dieser definiert festzulegenden ViskositĂ€t, abhĂ€ngig von der Harzmattenrezeptur kann die Matte weiterverarbeitet werden.

Die Weiterverarbeitung erfolgt dann in beheizten Werkzeugen im Pressverfahren. Die Harzmatte wird, je nach BauteilgrĂ¶ĂŸe und -geometrie, in genau definierte GrĂ¶ĂŸen zerschnitten und nach einem definierten Einlegeplan im Werkzeug platziert. Beim Schließen der Presse wird die Harzmatte im gesamten Werkzeug verteilt. Hierbei sinkt die vorher wĂ€hrend der Reifezeit erreichte ViskositĂ€tserhöhung fast wieder auf des Niveau der Halbzeugfertigung.

Dabei kommt es zu zwei PhÀnomenen:

  1. Das Fließen der Harzmatte im Werkzeug hat zur Folge, dass es an den Ecken des Werkzeuges (aber auch an VerstĂ€rkungsrippen und Domen) zu einem Aufeinandertreffen von verschiedenen Fließfronten kommen kann. Bei nicht ausreichender Durchdringung der Fließfronten kommt es dann zu sogenannten BindenĂ€hten. An diesen BindennĂ€hten sind die mechanischen Eigenschaften des Bauteils teilweise deutlich reduziert gegenĂŒber dem ĂŒbrigen Bauteil.
  2. Die leichteren und feineren Bestandteile der Harzmatte (Harze, Additive etc.) fließen schneller als die grĂ¶ĂŸeren Bestandteile (Glasfasern, FĂŒllstoffe). Dadurch kann es bei langen Fließwegen an den Bauteilgrenzen zu einer Anreicherung der kleineren Bestandteile kommen, es bildet sich eine „Harzschicht“ aus. Diese Harzschicht ist spröde und kann zu kleineren Abplatzungen bei mechanischer Beanspruchung fĂŒhren.

Der Vorteil dieser Werkstoffklasse liegt in der leichten Darstellung dreidimensionaler Geometrien und Wanddickenunterschieden in nur einem Arbeitsschritt. Die endgĂŒltige Bauteilform wird durch die KavitĂ€t eines mindestens zweiteiligen Werkzeugs gegeben und zeigt ĂŒblicherweise beidseitig glatte, optisch ansprechende OberflĂ€chen.

Nach einer AushĂ€rtezeit von 30 Sekunden bis mehreren Minuten bei Temperaturen von 140 Â°C bis 160 Â°C – deren Dauer und Höhe von der Bauteildicke und dem verwendeten Reaktionssystem abhĂ€ngt – kann das fertige Bauteil aus der Form entnommen werden. Das Bauteil muss aber aufgrund der noch hohen Bauteiltemperaturen vorsichtig gleichmĂ€ĂŸig gekĂŒhlt werden, damit es nicht zu Mikrorissen im Bauteil kommt. SMC-Bauteile sind – aufgrund der grĂ¶ĂŸeren FaserlĂ€nge als bei BMC – in der Regel höher belastbar als BMC-Bauteile. SMC-Bauteile können bei entsprechender Auslegung auch in lackierten Sichtbereichen eingesetzt werden.

Faserbeton

Die Festigkeit (Zug und auch Druck) von Beton oder Zement kann durch Beigabe von Fasern erhöht werden. Die Fasern haben nur wenige Zentimeter LĂ€nge (der hohe E-Modul des Betons macht lange Fasern unsinnig) und werden orientierungslos in der Matrix verteilt. Das Ergebnis ist ein isotroper Werkstoff. Die Fasern werden wie normaler Zuschlag mit dem Beton angerĂŒhrt und zusammen in einer Schalung ausgehĂ€rtet 


Sicherheitsvorkehrungen bei der Verarbeitung

Schutzbrille und Schutzhandschuhe stellen einen Mindestschutz vor dem Kontakt mit dem Harzsystem her. Harz und speziell HÀrter und Beschleuniger enthaltenen hÀufig Stoffe, die neben ihrer Giftigkeit auch allergiefördernd wirken. Im ausgehÀrteten Zustand wird hingegen teilweise sogar Lebensmittelechtheit erreicht.

Beschleuniger und HÀrter werden nie direkt zusammengegeben. Beide Komponenten können heftig miteinander reagieren, dabei besteht Verletzungsgefahr. Deshalb wird der Beschleuniger in aller Regel vor dem Vermischen mit dem HÀrter dem Harz zugegeben.

Beim mechanischen Bearbeiten (Zerspanen) von faserverstÀrkten Kunststoffen entstehen sehr feine Partikel, die je nach Fasertyp lungengÀngig sein können. Deshalb ist ein Mundschutz obligatorisch.

Kohlenstofffaserstaub kann durch seine elektrische LeitfĂ€higkeit elektrische GerĂ€te beschĂ€digen. Daher wird die Bearbeitung unter Ex-Schutz durchgefĂŒhrt.

Berechnung der elastischen Eigenschaften

Die elastischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen werden auf der Grundlage der Eigenschaften von elementaren Einzelschichten berechnet (unidirektionale Schichten). Dieses Berechnungsverfahren ist als klassische Laminattheorie bekannt. Gewebe werden dabei als zwei, in einem Winkel von 90° gedrehte, unidirektionale Schichten abgebildet. EinflĂŒsse durch die Ondulation der Fasern im Gewebe werden durch Abminderungsfaktoren berĂŒcksichtigt. Eine Entwurfsmethode fĂŒr gewichtsoptimale Laminate ist die Netztheorie.

Ergebnis der klassischen Laminattheorie sind die sogenannten Ingenieurskonstanten des Verbundwerkstoffs <math>\hat E_x, \hat E_y, \hat G_{xy}, \hat \nu_{xy}, \hat \nu_{yx}</math> und die Scheiben-Platten-Steifigkeitsmatrix. Diese Matrix besteht aus folgenden Elementen:

  • Scheibensteifigkeits-Matrix <math>A</math>
  • Plattensteifigkeits-Matrix <math>D</math>
  • Koppel-Matrix <math>B</math>

Anhand dieser Matrizen können die Reaktionen des Verbundwerkstoffs auf

  • Scheibenbelastungen: Normalspannungen <math>\sigma_1, \sigma_2</math> und Schub <math>\tau_{12}</math> in der Ebene
  • Plattenbelastungen: Biegemomente <math>m_1, m_2</math> und Drillmoment <math>m_{12}</math>

berechnet werden.

Die Koppel-Matrix koppelt dabei die Scheibenbelastungen mit den Plattenverformungen und umgekehrt. FĂŒr die Praxis von Interesse ist, dass eine besetzte Koppel-Matrix zu thermischen Verzug fĂŒhrt. Da auch thermische Dehnungen gekoppelt werden, verziehen sich Faserverbundbauteile, deren Koppelmatrix besetzt ist. Ziel vieler Forschungsvorhaben ist es, die Kopplungen in der Scheiben-Platten-Steifigkeitsmatrix gezielt konstruktiv zu nutzen.

FĂŒr den genauen Berechnungsablauf sei auf die Literatur und LehrbĂŒcher verwiesen.

Berechnung und Nachweis

Der Festigkeitsnachweis, insbesondere von Faserkunststoffverbunden, erfolgt ĂŒber Bruchkriterien. Aufgrund der Sprödheit und Festigkeitsanisotropie der meisten Faserverbundwerkstoffe sind spezielle Bruchkriterien fĂŒr Faserkunststoffverbunde notwendig.

Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Bruchkriterien und damit auch Nachweismethoden. Oft haben einzelne Firmen (zum Beispiel im militĂ€rischen oder zivilen Großflugzeugbau) eigene Nachweisverfahren entwickelt.

Berechnungsprogramme

Compositor

Dieses Excel-basierte Programm ist eine Entwicklung des Instituts fĂŒr Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen. Es enthĂ€lt – neben der Berechnung der Schichtspannungen und der Ingenieurskonstanten nach der klassischen Laminattheorie – ein Modul, in dem die Puck’schen Wirkebenenkriterien (siehe: Bruchkriterien fĂŒr Faserkunststoffverbunde) fĂŒr eine Festigkeitsanalyse implementiert sind. Neben den schichtweisen Spannungen sind somit auch Versagenslasten berechenbar.

ESAComp

ESAComp wurde im Auftrag der europÀischen Raumfahrtagentur ESA entwickelt. Es bietet eine Schnittstelle zu FE-Programmen, es kann aber auch ohne FE-Programm eingesetzt werden. Neben der schichtenweisen Spannungsanalyse können mit Hilfe verschiedener Bruchkriterien Versagenslasten ermittelt werden.

ESAComp wurde am Institut fĂŒr Leichtbau der TU Helsinki entwickelt.

LamiCens

Eine kostenlos erhĂ€ltliche, einfach zu bedienende Excel-Anwendung zur Ermittlung wichtiger Eigenschaften faserverstĂ€rkter Kunststoff-Laminate wurde von H. Funke entwickelt. Damit lassen sich Halbzeuge menĂŒgefĂŒhrt auswĂ€hlen und stapeln, wie beim Laminieren. LamiCens ermittelt produktionsspezifische Kennwerte wie LaminatstĂ€rke und -gewicht, Fasergewicht, Harzverbrauch und Kostenkennwerte. Die Ingenieurskonstanten fĂŒr die homogene Scheibenbelastung (ElastizitĂ€tsmoduln <math>E_x</math> und <math>E_y</math>, Schubmoduln <math>G_{xy}</math>, Querdehnzahlen <math>\nu_{xy}</math> und <math>\nu_{yx}</math>) werden mit Hilfe der klassischen Laminattheorie berechnet. Eine Festigkeitsanalyse ist nicht möglich.

Composite Star

Diese Software wurde von der belgischen Firma Material S. A., BrĂŒssel, entwickelt. Insbesondere ist sie in Verbindungen mit gewickelten Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund und der entsprechenden Simulationssoftware Cadwind (gleiche Fa.) zu verwenden.

eLamX – expandable Laminate eXplorer

eLamX ist ein frei nutzbares, in Java geschriebenes Laminatberechnungsprogramm, das am Lehrstuhl fĂŒr Luftfahrzeugtechnik der Technischen UniversitĂ€t Dresden entwickelt wurde.[1] Die Berechnungen basieren auf der klassischen Laminattheorie. Die Software ist modular aufgebaut und wird stĂ€ndig erweitert. Derzeit (Januar 2014) sind Module zur Laminatberechnung inklusive Festigkeitsanalyse, Ingenieurskonstanten und hygrothermalen Effekten, zu StabilitĂ€ts-, Verformungs- und Eigenfrequenzuntersuchungen beliebig gelagerter Faserverbundplatten mit und ohne Versteifungselementen und zum Vergleich verschiedener Festigkeitskriterien (3D-Darstellung der Bruchkörper, The World-Wide-Failure Exercise) vorhanden. Erweiterungen auf dem Gebiet der StabilitĂ€ts- und Deformationsbetrachtungen und neue Module, beispielsweise bezĂŒglich der Mikromechanik von Laminatschichten, der nichtlinearen Berechnung gemĂ€ĂŸ VDI-Richtlinie VDI 2014 und der StabilitĂ€tsberechnung mittels Methoden des Luftfahrttechnischen Handbuchs, befinden sich in der Entwicklung. eLamX 2.1 ist seit April 2014 verfĂŒgbar und nach wie vor frei nutzbar.

R&G Laminatrechner

Kostenloser Online-Laminatrechner, mit dem sich einfach und schnell Kennwerte wie Dicken und Harzverbrauch sowie der Fasergehalt von Laminaten errechnen lassen. Je nach Faserart, VerstĂ€rkungstextilien und Verarbeitungsverfahren werden praxisgerechte Faservolumenanteile vorgeschlagen. Die Auswahl der Parameter erfolgt menĂŒbasiert. Auch eine RĂŒckwĂ€rtsfunktion ist eingebaut, ausgehend von einer vorgegeben Laminatdicke kann die Lagenzahl ermittelt werden. Die Eingabe eigener Werte ist möglich.

NatĂŒrlicher Faserverbundwerkstoff

Holz in seiner natĂŒrlich gewachsenen Form ist hĂ€ufig Vorlage bei der Auslegung von Faser-Kunststoff-Verbunden. Die Ursache hierfĂŒr ist, dass Holzfasern, genau wie andere Naturfasern, aus unterschiedlichen „Einzelbausteinen“ zusammengesetzt sind. Steife Cellulosefibrillen sind in eine Matrix aus Hemicellulose und Lignin eingebettet und dienen als festigendes Element in der Zellwand. Auch in seinen kĂŒnstlich geschaffenen Formen Pressspan oder MDF werden zumindest die Naturfasern als Komponente eingebracht.

Knochen ist ein Faserverbundwerkstoff in zweierlei Hinsicht: im Nanometerbereich sind die Kollagenfasern eingebettet in Hydroxylapatitkristalle, in kortikalem Knochen im Mikrometerbereich wirken Osteons zusÀtzlich als Fasern.

Anwendungsgebiete

Faserverbundwerkstoffe umgeben uns in allen Lebensbereichen, meist ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Das Spektrum reicht von Kleidern, Möbeln, HaushaltsgerĂ€ten bis hin zu mehrstöckigen Bauwerken, BrĂŒcken, Booten und der Luft- und Raumfahrt. Das Haupteinsatzgebiet fĂŒr die NaturfaserverstĂ€rkten Kunststoffe ist die Automobilindustrie.

Wirtschaftliche Bedeutung

Die Faserverbundwerkstoffe mit der grĂ¶ĂŸten wirtschaftlichen Bedeutung sind die glasfaserverstĂ€rkten Kunststoffe (GFK) mit einem Anteil von ĂŒber 90 %. 2009 wurden in Europa 815.000 t glasfaserverstĂ€rkte Kunststoffe produziert. Die grĂ¶ĂŸten Produzenten im europĂ€ischen Markt sind Spanien, Italien, Deutschland, Großbritannien und Frankreich. Infolge der Wirtschaftskrise ist die Produktionsmenge in allen Anwendungsindustrien gleichermaßen um etwa ein Drittel gegenĂŒber 2007 geschrumpft. Am stĂ€rksten sind die offenen Verarbeitungsverfahren wie Handlaminieren oder Faserspritzen von dieser Marktentwicklung betroffen.[2] Diesem allgemeinen Trend widersetzen sich allein die biobasierten FaserverbĂŒnde. Ein Vergleich der wirtschaftlichen Entwicklung in den unterschiedlichen Teilbranchen zeigte, dass einzig die naturfaserverstĂ€rkten Kunststoffe im Wachstum begriffen sind – mit einem deutlichen Wirtschaftsplus von gut 20 %.[3]

Einzelnachweise

  1. ↑ tu-dresden.de
  2. ↑ Elmar Witten (2009): Der Composites-Markt Europa 2008/2009. Industrievereinigung VerstĂ€rkte Kunststoffe ([1] (PDF; 106 kB) download)
  3. ↑ Elmar Witten (2009) auf dem Biowerkstoff-Kongress

Literatur

  • A.A. Griffith. The phenomenon of rupture and flow in solids. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 221A:163–198, 1920.
  • M. Flemming und S. Roth. Faserverbundbauweisen, Springer 2003, ISBN 3-540-00636-2
  • Michaeli, Huybrechts und Wegener. Dimensionieren mit Faserverbundkunststoffen, Hanser 1994, ISBN 3-446-17659-4
  • Bernhard Wietek: Stahlfaserbeton. Grundlagen und Praxisanwendung. 2. Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0872-1.
  • Ehrenstein (Hrsg.): Faserverbund-Kunststoffe – Werkstoffe, Verarbeitung, Eigenschaften, Hanser 2006, ISBN 3-446-22716-4
  • A. Puck: Festigkeitsanalyse von Faser-Matrix-Laminaten, Hanser 1996, ISBN 3-446-18194-6
  • P.A. Fowler, J.M. Hughes & R.M Elias, “Review Biocomposites: technology, environmental credentials and market forces”, Journal of the Science of the Food and Agriculture Ausgabe 86, 2006, S. 1781-1789

Siehe auch

Weblinks

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