Werkstoffe I - Teil 1 Flashcards
Was beschreibt der Effekt der Anisotrope und wie wirkt er sich auf die mechanische Festigkeit der
Verbundwerkstoffe aus?
-> Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit des Belastungswinkels
- extreme Richtungsabhängigkeit von E-Modul und Festigkeit bei unidirektionalen Schichten
- Kenntnis der genauen realen
Faserorientierung wichtig für eine exakte Auslegung
- Relative Steifigkeit und Festigkeit nehmen mit zunehmenden Belastungswinkel deutlich ab
->Die Steifigkeit eines FVW ist anisotrop (richtungsabhängig).
Was ist ein Faserverbundwerkstoff?
ein Verbund aus zwei Werkstoffen
Was sind die Aufgaben der
1) Faser
2) Matrix
in einem Faserverbundwerkstoff
1) Faser
- Aufnahme aller Zug-/Druckkräfte
- Bestimmend für Steifig-/Festigkeit
2) Matrix
- Fixierung der Faser in der gewünschten Geometrie
- Übertragung der Kräfte
- Stützung bei Druckbelastung
- Schutz vor Umgebungsmedien
Aus welchen Materialien kann die Matrix eines Faserverbundwerkstoffs bestehen?
• Keramik • Metall • Beton • Duroplaste: - UP-Harz - Phenolharz - Epoxidharz • Thermoplaste: - Polycarbonat - Polyamid - Polypropylen - Polyethylen - PEEK
Aus welchen Materialien kann die Faser eines Faserverbundwerkstoffs bestehen?
• Metallfaser • Mineralfaser • Glasfaser: - E-Faser - S-Faser - C-Faser • Kohlenstofffaser: - HT-Faser - HM-Faser - UHM-Faser • Synthetische Fasern: - Aramidfaser - Polyethylenfaser
Darbietungsformen der Verstärkungsfasern (1) und verschiedene Faserhalbzeuge (2)
1) -Kurzfasern (unter 3 mm)
- Langfasern (unter 5 cm)
- Endlosfasern (Roving) mit u.U. mehreren zehntausend
Einzelfilamenten
2) - Lang-/Endlosfasermatte
- Gewebe
- Gelege
Arten von geflochtene Halbzeugen
- Litzengeflecht
- Rundgeflecht
- 3D-Geflechte
Relative spezifische Festigkeit von
a) einer selbstständigen Faser
b) eines UD-Laminats mit einem Faservolumengehalt von 60%
c) eines quasiisotropen Laminats
a) 100%
b) 60%
c) 20%
Einflüsse auf die Eigenschaften
einer UD-Einzelschicht
- Eigenschaften von Faser- und Matrixmaterial
- Faservolumenanteil
- Belastungsrichtung (Anisotropie)
- Faser-Matrix-Haftung
Einflüsse auf die Eigenschaften
eines Laminates
- Dicke und Orientierung der Einzelschichten
- Fehlstellen
- Faserwelligkeit
Wie sind die mechanischen Eigenschaften von
Faserverbundwerkstoffen im Vergleich zu Stahl und
Aluminium einzuordnen?
- Deutliche höhere Zugfestigkeit von sowohl Glas-, Aramid- als auch Carbonfaser im Vergleich zu Stahl und Alu
- E-Modul von Glasfasern etwas größer als der von Alu.
- E-Modul von Aramidfasern deutlich größer als der von Alu, aber minimal kleiner als der von Stahl.
- E-Modul von Carbonfasern deutlich größer (300Gpa)
Welche Anwendungsgebiete gibt es für
Faserverbundwerkstoffe?
Luft und Raumfahrt (z.B. Rumpfstruktur)
Rennsport (z.B. Monocoque)
Automobilbau (z.B. Bodengruppe, Karosserien)
Sportanwendungen (z.B. Stabhochsprung, Radsport)
Windenergieanlagen
Formel zur Berechnung der Biege-/Beulsteifigkeit
Basis: ρ/(E^(1/3)) (^1/3 = 3. Wurzel)
Bauteilbeispiele für das Wickelverfahren
- Druckbehälter
- Kardan- und Antriebswellen
- Rohrleitungen
- Einzelstücke und Sonderformen
Vorteile vom Einsatz von FVK in der Automobilindustrie
- Gewichtseinsparung von ca. 45 % bei vergleichbaren Eigenschaften
- Bauteilreduktion, Funktionsintegration
- Geringere Werkzeugkosten (bei kleinen bis
mittleren Serien) - Keine Anforderungen an besonders kurze Zykluszeiten (bei kleinen bis
mittleren Serien)
Ablauf der Fertigung eines GFK-Sandwich-Bauteils
- Preforming
- Werkzeugbelegung
- Imprägnierung
- Entformung
- Montage
- Finish & Auslieferung
Vor- und Nachteile einer GFK-Sandwich-Fertigung
+ Geringer Werkzeuginvest
+ Große Sandwichbauteile fertigbar
+ Geschlossener Prozess
+ Beidseitig gute Oberflächen
- Lange Zykluszeiten
- Viel Handarbeit
- Schlecht automatisierbar
Nutzbare Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen
- gutmütiges (sukzessives) Versagensverhalten
- hohe Energieabsorption (Crashverhalten)
- hohe mechanische Dämpfung
- sehr geringe (und einstellbare) Wärmedehnung
- je nach Matrix hohe Beständigkeit (z.B. keine Korrosion)
- einstellbar elektrisch isolierend oder elektrisch leitend
- komplexe Bauteilgeometrien in Urformverfahren herstellbar
- hohe gewichtsbezogene Steifigkeit und Festigkeit