6. Faserverstärkte Kunststoffe

Question 1

Wozu braucht man Verbundwerkstoffe?

Answer 1

-Faserwerkstoffe zu spröde
-faserverstärkte Kunststoffe: hohe mechanische Eigenschaften bei geringem Gewicht, umfassende geometrische und mechanische Gestaltungsmöglichkeiten

Question 2

Wo werden faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt?

Answer 2

-Reduktion von Trägheitsmomenten und -kräften
-geringe thermische Ausdehnung
-Absorption von Energie auf minimalem Bauraum

-Wasserdruckgasspeicher
-Rotoren von Windkraftanlagen
-Batteriegehäuse
-Strukturkomponenten von Flugzeugen

Question 3

Welche verschiedenen Fasern gibt es?

Answer 3

anorganisch: Glasfasern
organisch: Kohlenstofffasern
synthetisch: Aramidfasern
selten: Metalle, Bor, keramische Werkstoffe

Question 4

Erläutere Glasfasern.

Answer 4

-zum Großteil aus Siliziumdioxid
-hergestellt durch Schmelzspinnverfahren bei 1400°C
-Glas wird aus Schmelze durch Düsen mit 1000 Öffnungen gezogen, abgekühlt und zu Rovings zusammengefasst

E-Glasfaser (elektrisch): preiswert, breiter Einsetzbereich
R-Glasfaser (resistance), S-Glasfaser (strength): höhere Festigkeit
C-Glasfaser: chemische Beständigkeit

Question 5

Trage die Zugspannung von verschiedenen Glasfasern in Abhängigkeit der Dehnung auf.

Answer 5

S. 116

Question 6

Erläutere Kohlenstofffasern.

Answer 6

-steifer/fester als Glasfasern

-HT-Fasern (high tenacity): schlechtere Eigenschaften als die meisten anderen Fasern, günstiger Preis
-HM-Fasern (high modulus): sehr hohe Festigkeit, geringe Bruchdehnung, teuer (Luft- und Raumfahrt)
-HST-Fasern (high strain and tenacity): ähnliches E-Modul wie HT, viel höhere Bruchdehnung
-IM-Fasern (intermediate modulus): Festigkeit zwischen HST- und HM-Fasern

-negativer Wärmeausdehnungkoeffizient
-elektrische Leitfähigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, chemische Beständigkeit

Question 7

Welche Eigenschaften haben Aramidfasern?

Answer 7

-Einsatz für ballistischen Schutz in Autos aufgrund des guten Energieabsorptionsvermögens
-empfindlich gegenüberDruckbeanspruchung und Feuchtigkeit
-flammfest, selbstlöschend, chemische Beständigkeit
-negativer Wärmeausdehnungskoeffizient

Question 8

Erläutere Naturfasern.

Answer 8

-tierisch, pflanzlich (Föachs, Hanf, Kenaf, Jute), mineralisch
-geringe Dichte, gute thermische und akustische Isolierwirkung
-Eigenschaftsschwankungen
-hygroskopisch, geringe Temperaturbeständigkeit

Question 9

Wie werden Verstärkungsfasern weiterverarbeitet?

Answer 9

-Einzelfilamente werden zu Fäden zusammengefasst (parallele Faserlage)
-Fäden werden zu Rovings (parallele Faserstränge aus mehreren Fäden) zusammengefasst
-Garnfeinheit T: T =m/L (Masse eines Rovings pro Längeneinheit)

Question 10

Welche Aufgaben übernimmt die Matrix?

Answer 10

-Fixierung der Fasern in gewünschten geometrischen Anordnung
-Übertragung von Kräften auf die Fasern
-Stützung der Fasern bei Druckbeanspruchung
-Schutz der Fasern vor Einwirkungen von Umgebungsmedien

Question 11

Wie entstehen Duroplast-Matrices? Welche Duroplaste werden eingesetzt?

Answer 11

-Härtung: Vernetzung der Rohstoffe, aus flüssigen Ausgangskomponenten Harz und Härter entsteht Festkörper (kalt-, warm-, lichthärtende Harzsysteme)

-Polyesterharz (UP): häufig verwendet, günstiger Preis

-Vinylesterharz: gleiche mechanische Eigenschaften, chemikalienbeständig

-Epoxidharz: gute mechanische Eigenschaften

-Phenolharz: billig, unbefriedigende Festigkeit und Bruchdehnung

-Polyurethanharz: kurze Zykluszeiten, ähnlich den Epoxidharzen

Question 12

Welche Vorteile haben Thermoplaste gegenüber Duroplasten?

Answer 12

-hohe Schlagzähigkeit und Bruchdehnung
-gutes Druck-, Stauch-, und Knickverhalten
-gute Medienbeständigkeit, geringe Feuchteaufnahme
-kurze Verarbeitungszyklen (keine Aushärtung)
-Schweißbarkeit
-Rezyklierbarkeit der Abfälle
-unbegrenzte Lagerzeit bei Raumtemperatur

Question 13

Was sind Nachteile von Thermoplasten gegenüber Duroplasten?

Answer 13

-Kriechneigung bei höheren Temperaturen
–hohe Temperaturen und Drücke, schwierige Prozessführung bei Verarbeitung
-hohe Viskosität der Schmelze, erschwerte Benetzung der Verstärkungsfasern

Question 14

Was sind Aufgaben von Faserbeschichtungen?

Answer 14

-Schlichte bei Glas- oder Kohlenstofffaser
-Avivage bei Aramidfaser

-verkleben Faserbündel zu Rovings
-Additive und Filmbildner in Schlichte schützen Fasern vor äußeren Einflüssen und der mechanischen Beanspruchung beim Verarbeitungsprozess
-enthalten Haftvermuttler

Question 15

Was ist der Faservolumengehalt. Wie berechnet man den maximalen Faservolumengehalt?

Answer 15

-Mengenverhältnis von Verstärkungsmaterial zu Gesamtmaterial
-spielt zentrale Rolle bei mechanischen Eigenschaften des faserverstärkten Kunststoffs
-S. 122

Question 16

Bei wie viel Prozent liegt der reelle Faservolumengehalt?

Answer 16

-Handlaminierverfahren: 40%
-Industrieverfahren (RTM, Infusion): 70%
-Autoklavverfahren: 80%
-UD-Profile (Fasern parallel zueinander) im Pultrusionsverfahren: 80%

Question 17

Wie kann der Gewichtsgehalt in den Volumengehalt umgerechnet werden?

Answer 17

S. 123

Question 18

Wie sind die Fasern bei der unidirektionalen Einzelschicht (UD-ES) ausgerichtet?
Ermittle die Steifigkeit parallel zur Faserrichtung, quer zur Faserrichrung, den Schubmodul und die Querkontraktionszahl.

Answer 18

-parallele Faseranordnung in nur einer Richtung
-S. 124

Question 19

Wie ist das Festigkeitsverhalten wenn eine UD-ES in Faserrichtung/ quer zur Faserrichtung belastet wird?

Answer 19

S.125

Question 20

Wie hängen die Festigkeit und Steifigkeit vom Belastungswinkel ab?

Answer 20

S. 126

Question 21

Wozu dient ein Laminataufbau?

Answer 21

-bei komplex gestapelten Bauteilen werden mehrere Schichten zu einem Laminat gestapelt
-UD-ES weisen verschiedene Richtungen auf

Question 22

Welche Bezeichnungen gibt es beim Laminataufbau?

Answer 22

[0/90]

-mehrere gleiche Schichten: [02/90]
-zur Mittelebene symmetrisch angeordnet: s hinter der Klammer
-symmetrisch aber ohne Wiederholung: Strich über Zahl

Question 23

Was sind Gelege?

Answer 23

-Verstärkungsfasern parallel gelegt
-mehrere Schichten unterschiedlicher Orientierung aufeinander gestapelt
-biaxiales/ multiaxiales Gelege
-schlechte Anpassung an komplizierte Geometrien
-Verstärkungsrichtungen können bereits im Halbzeug berücksichtigt werden

Question 24

Erläutere Gewebe und Geflechte.

Answer 24

-Gewebe: Filamente überkreuzen sich im rechten Winkel zueinander
-Geflechte: Möglichkeit von anderen Überkreuzungswinkeln und schlauchförmigen Geometrien

-gute Drapierbarkeit
-große Bedeutung bei Herstellung großflächiger Bauteile (Handlaminier-, Injektions-, Infusionsverfahren)

Question 25

Was geben das Flächengewicht (die Grammatur) an?

Answer 25

-auf die Fläche bezogene Masse bei Laminatlieferformen

Question 26

Was ist ein Prepreg?

Answer 26

-Fasern bereits mit duroplastischen oder thermoplastischen (Tape) Matrixwerkstoff imprägniert

Question 27

Welche Laminataufbauten gibt es?

Answer 27

-unsymmetrischer Aufbau: es können Verformungen (Kopplungen) auftreten
-symmetrischer Aufbau
-quasiisotroper Aufbau: enthält Schichten, die nicht in Belastungsrichtung orientiert sind, E-Modul sinkt ab (Leichtbaupotential nicht ausgeschöpft)

Question 28

Wie kann man das größte Leichtbaupotential erlangen?

Answer 28

-spezifisches E-Modul/ spezifische Fedtigkeit des FVK müssen maximiert werden
-bei Belastung in Längsrichtung
-ungünstigster Fall bei quasiisotropen Laminaten