Werkstoffe I - Teil 1

Question 1

Was beschreibt der Effekt der Anisotrope und wie wirkt er sich auf die mechanische Festigkeit der
Verbundwerkstoffe aus?

Answer 1

-> 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).

Question 2

Was ist ein Faserverbundwerkstoff?

Answer 2

ein Verbund aus zwei Werkstoffen

Question 3

Was sind die Aufgaben der
1) Faser
2) Matrix
in einem Faserverbundwerkstoff

Answer 3

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

Question 4

Aus welchen Materialien kann die Matrix eines Faserverbundwerkstoffs bestehen?

Answer 4

• Keramik
• Metall
• Beton
• Duroplaste:
- UP-Harz
- Phenolharz
- Epoxidharz
• Thermoplaste:
- Polycarbonat
- Polyamid
- Polypropylen
- Polyethylen
- PEEK

Question 5

Aus welchen Materialien kann die Faser eines Faserverbundwerkstoffs bestehen?

Answer 5

• Metallfaser
• Mineralfaser
• Glasfaser:
- E-Faser
- S-Faser
- C-Faser
• Kohlenstofffaser:
- HT-Faser
- HM-Faser
- UHM-Faser
• Synthetische Fasern:
- Aramidfaser
- Polyethylenfaser

Question 6

Darbietungsformen der Verstärkungsfasern (1) und verschiedene Faserhalbzeuge (2)

Answer 6

1) -Kurzfasern (unter 3 mm)
- Langfasern (unter 5 cm)
- Endlosfasern (Roving) mit u.U. mehreren zehntausend
Einzelfilamenten

2) - Lang-/Endlosfasermatte
- Gewebe
- Gelege

Question 7

Arten von geflochtene Halbzeugen

Answer 7

• Litzengeflecht
• Rundgeflecht
• 3D-Geflechte

Question 8

Relative spezifische Festigkeit von

a) einer selbstständigen Faser
b) eines UD-Laminats mit einem Faservolumengehalt von 60%
c) eines quasiisotropen Laminats

Answer 8

a) 100%
b) 60%
c) 20%

Question 9

Einflüsse auf die Eigenschaften

einer UD-Einzelschicht

Answer 9

• Eigenschaften von Faser- und Matrixmaterial
• Faservolumenanteil
• Belastungsrichtung (Anisotropie)
• Faser-Matrix-Haftung

Question 10

Einflüsse auf die Eigenschaften

eines Laminates

Answer 10

• Dicke und Orientierung der Einzelschichten
• Fehlstellen
• Faserwelligkeit

Question 11

Wie sind die mechanischen Eigenschaften von
Faserverbundwerkstoffen im Vergleich zu Stahl und
Aluminium einzuordnen?

Answer 11

• 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)

Question 12

Welche Anwendungsgebiete gibt es für

Faserverbundwerkstoffe?

Answer 12

Luft und Raumfahrt (z.B. Rumpfstruktur)
Rennsport (z.B. Monocoque)
Automobilbau (z.B. Bodengruppe, Karosserien)
Sportanwendungen (z.B. Stabhochsprung, Radsport)
Windenergieanlagen

Question 13

Formel zur Berechnung der Biege-/Beulsteifigkeit

Answer 13

Basis: ρ/(E^(1/3)) (^1/3 = 3. Wurzel)

Question 14

Bauteilbeispiele für das Wickelverfahren

Answer 14

• Druckbehälter
• Kardan- und Antriebswellen
• Rohrleitungen
• Einzelstücke und Sonderformen

Question 15

Vorteile vom Einsatz von FVK in der Automobilindustrie

Answer 15

• 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)

Question 16

Ablauf der Fertigung eines GFK-Sandwich-Bauteils

Answer 16

• Preforming
• Werkzeugbelegung
• Imprägnierung
• Entformung
• Montage
• Finish & Auslieferung

Question 17

Vor- und Nachteile einer GFK-Sandwich-Fertigung

Answer 17

+ Geringer Werkzeuginvest
+ Große Sandwichbauteile fertigbar
+ Geschlossener Prozess
+ Beidseitig gute Oberflächen

• Lange Zykluszeiten
• Viel Handarbeit
• Schlecht automatisierbar

Question 18

Nutzbare Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen

Answer 18

• 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