Benutzer:NoiseD/Entwürfe

Benutzer:NoiseD/FKV-Materialtabelle

---

Ein Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) ist ein Werkstoff, bestehend aus Verstärkungsfasern und einer polymeren Kunststoffmatrix. Die Matrix umgiebt die Fasern, die durch Adhasivkräfte an die Matrix angebunden sind. Durch die Verwendung von Faserwerkstoffen, haben Faser-Kunststoff-Verbunde ein richtungsabhängiges Elastizitätsgesetz.

Ohne Matrixwerkstoff sind die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten der Verstärkungsfaser nicht nutzbar. Erst durch die geeignete Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Konstruktionswerkstoff.

Faser-Kunststoff-Verbunde weisen in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf. Dies macht sie zu geeignete Werkstoffen in Leichtbauanwendungen. Aus Faser-Kunststoff-Verbunden werden überwiegend flächige Strukturen hergestellt.

Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden können über eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden. Neben der Faser-Matrix-Kombination können z.B. der Faserwinkel, der Faservolumenanteil, die Schichtreihenfolge usw. variiert werden.

Faser-Kunstsoff-Verbunde gehören zu der Klasse der faserverstärkten Werkstoffe (Faserverbunde).

Funktionsprinzip

Datei:Koordinatensystem an der UD-Schicht.png

Symbolhafte Darstellung von Verstärkungsfasern einer Kunststoffmatrix.

Ein Faserkunststoffverbund kann als Konstruktion aufgefasst werden. Seine Elemente müssen so kombiniert werden, daß sich die gewünschten Eigenschaften einstellen. Durch das Zusammenspiel der spezifischen Eigenschaften von Faserwerkstoff und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Werkstoff.

Aufgabenteilung

Die Fasern leiten die Kräfte. Durch ihre, im Vergleich zur Matrix, hohen Steifigkeit ziehen sie die Lasten auf sich. Da die Faser eine höhere Festigkeit als die Matrix hat, sollten die Lasten entlang der Fasern geleitet werden. Quer zur Faser haben Matrix und Faser oft ähnliche Elastizitätsmoduln. Zusätzlich müssen die Kräfte durch Adhasivkräfte über die Faser-Matrix-Grenzfläche geleitet werden. Daher findet quer zur Faser in der Regel keine Verstärkungswirkung statt. Grund hierfür ist auch die Dehnungsvergrößerung.

Die Matrix bettet die Fasern. Betten meint dabei, daß sie die Fasern räumlich fixiert und die Lasteinleitung und Lastausleitung ermöglicht. Zusätzlich stützt die Matrix die Fasern, z.B. gegen Ausknicken bei faserparallelem Druck. Die Lastübertragung erfolgt über die Adhäsion zwischen Faser und Matrix. Sie kann über Normal- oder Schubkräfte erfolgen. Verbunde, bei denen keine Faser-Matrix-Haftung besteht, sind nur in Sonderfällen belastbar.
Die Matrix hat zudem die Aufgabe, die Fasern gegen Umgebungseinflüsse zu schützen.

Wirksamkeitskriterien

Größeneffekt bei der Faserform. Vergleich der maximalen Fehlergröße und der fehlerfreien Länge.
a: Kompakter Werkstoff
b: Faserwerkstoff

Nicht jede Faser-Matrix-Kombination ergibt einen sinnvollen Konstruktionswerkstoff. Drei Kriterien müssen erfüllt sein, damit sich Steifigkeit und Festigkeit in Faserrichtung im Verbund erhöhen.

1. Der Elastizitätsmodul in Faserlängsrichtung muss höher sein als der der Matrix.
   $E_{\rm {Faser,laengs}}>E_{\rm {Matrix}}$
2. Die Bruchdehnung der Matrix muss höher sein als die der Faser.
   $\epsilon _{\rm {Matrix,Bruch}}>\epsilon _{\rm {Faser,Bruch}}$
3. Die Zugfestigkeit in der Faser in Faserlängsrichtung muss größer sein die der Matrix.
   $R_{\rm {Faser,laengs}}>R_{\rm {Matrix}}$

Wirksamkeit der Faserform

Symbolhafte Darstellung der Orientierung der Molekülketten durch Verstreckung in Faserwerkstoffen.

Die Faser ist dem kompakten Werkstoff überlegen. Dies betrifft sowohl die Festigkeit als auch die Elastizitätsmoduln. Die folgenden Effeekte machen die Faser der kompakten Form überlegen:

Größeneffekt: In einer Faser ist die maximale Größe einer Fehlstelle begrenzt. Es treten also keine großen Fehler auf. Durch die statistische Verteilung der Fehler wächst die fehlerfreie Länge einer Faser stark an. Diese Effekte erhöhen nur Festigkeit der Faser, nicht deren Steifigkeit.

Orientierung: Bei der Herstellung von Fasern orientieren sich die Kristall- oder Molekülebenen. Geeignete Verfahren sind Spinnen und Verstrecken. Bildlich gesprochen wird aus einem nachgiebigen Wollknäuel ein Strang steifer Wollfäden. Bei Naturfasern wie Haaren, Wolle, Hanf, Sisal usw. entsteht die Orientierung während des Wachstums. Werkstoffe mit langkettigen Molekülen eigenen sich besonders, um eine hohe Orientierung zu erzeugen. Einige Fasern, wie die Glasfaser weisen keine Orientierung auf. In der Regel geht mit der wachsenden Orientierung eine Anisotropie der Faser einher. Die Orientierung erhöht hauptsächlich die Steifigkeit.

Mechanische Betrachtungsebenen

Faserkunststoffverbunde werden auf unterschiedlichen mechanischen Ebenen betrachtet. Die Betrachtungsebene hängt davon ab, ob globale Größen des Verbunds oder die der einzelnen Verstärkungsfaser von Interesse sind.

Mikromechanik

Die Mikromechanik betrachtet die einzelne, in der Matrix gebette Faser. Es liegt ein zweiphasiges Gemisch vor. Mit Hilfe der Mikromechanik können die Spannungen und Dehnungen in Faser und Matrix berechnet werden. Die Mikromechanik ermöglicht die Berechnung der Elastizitätseigenschaften der Faserkunststoffverbunds aus den Eigenschaften von Faser und Matrix (siehe: klassische Laminattheorie).

Makromechanik

In der Makromechanik der Faserkunststoffverbunde wird der Verbund als homogen angesehen. Das heißt seine Eigenschaften sind vom Ort unabhängig. Seine Eigenschaften sind jedoch weiterhin richtungsabhängig. Mit Hilfe der Makromechnaik erhält man globale Spannungs- und Dehnungsgrößen. Sie können als mittlere Größen über der Faser und Matrix aufgefasst werden.
Die Makromechanik wird zur Beschreibung des Verhaltens von Bauteilen verwendet.

Verstärkungsfasern

Anorganische Verstärkungsfasern

Anorganische Fasern haben eine amorphe Struktur. Ihre Vorteile sind die hohe Temperaturfestigkeit und der meist niedrige Preis. Gerade die Rohstoffe für die Glas- und Basaltfaser sind fast uneingeschränkt verfügbar.

• Basaltfasern
• Glasfasern

Metallische Verstärkungsfasern

• Stahl-Fasern

Organische Verstärkungsfasern

Organische Fasern haben einen hohen Orientierungsgrad. Ihr Modul längs und quer zur Faser unterscheidet sich deutlich. Durch hohe Temperaturen zersetzen sich organische Fasern bzw. schmelzen. Diese Temperaturgrenze kann jedoch sehr unterschiedlich sein.

• Aramidfasern
• Borfasern
• Kohlenstofffasern
• Nylon-Fasern
• PE-Fasern
• ...

Naturfasern

Nachwachsende Verstärkungsfasern haben, bezogen auf andere Verstärkungsfasern, überwiegend eine niedrige Dichte. Da ihre mechanischen Eigenschaften gering sind, werden sie nicht in Strukturbauteilen verwendet. Ihr Hauptanwendungsgebiet haben sie, in Kombination mit thermoplastischen Matrixwerkstoffen, in Verkleidungsbauteilen. Als Kurzschnitt werden sie als billiges Streckmittel eingesetzt.

• Flachs-Fasern
• Hanf-Faser
• Sisal-Fasern
• ...

Benennung von Verstärkungsfaserbündeln

In Anlehung an die Bezeichnung von Garnen werden Bündel aus Verstärkungsfasern, sogenannten Rovings, mit der Garnfeinheit tex benannt. Je größer die Tex-Zahl ist, desto höher ist das Längengewicht der Fasern.

Besonders bei Kohlenstofffasern hat sich die Bezeichnung nach der Anzahl der Einzelfilamente durchgesetzt. Ein 12k Roving besteht dementsprechend aus 12000 Einzelfilamenten. Über die Dichte der Faser lässt sich die Tex-Zahl in die Anzahl der Filamente überführen.

Einteilung nach der Faserlänge

Kurzfasern L=0,1 bis 1mm

Kurzfasern werden in der Spritzgusstechnik eingesetzt und können direkt mit einem Extruder verarbeitet werden. Es existieren thermoplastische Granulate die bereits mit einem bestimmten Faservolumenanteil bzw. Fasermassenanteil mit Kurzfasern versehen wurden.

Langfasern L=1 bis 50mm

Langfasern können ebenfalls noch in Extrudern verarbeitet werden. Sie finden im großen Umfang beim der Faserspritzen Anwendung. Langfasern werden häufig Duroplasten als Füllstoff zugemischt.

Endlosfasern L>50mm

Endlosfasern werden als Rovings oder Gewebe in faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Bauteile mit Endlosfasern erzielen die höchsten Steifigkeits- und Festigkeitswerte.

Faserhalbzeuge

Da die einzelnen Faserfilamente schwer zu handhaben sind, fasst man die trockenen Fasern zu Halbzeugen zusammen. Die Herstellverfahren entstammt in weiten Teilen der Textiltechnik wie z.B. das Weben, Flechten oder Sticken.

• Gewebe
  

Gewebe entstehen durch das Verweben von Endlosfasern, z.B. von Rovings. Das Verweben von Fasern geht zwangsläufig mit einer Ondulation der Fasern einher. Die Ondulation bewirkt insbesondere eine Absenkung der faserparallelen Druckfestigkeit. Daher werden für mechanisch hochwertige Faser-Kunststoff-Verbunde Gelege verwendet.

• Gelege
  

In einem Gelege liegen die Fasern ideal parallel und gestreckt. Es finden außschließlich Endlosfasern Verwendung. Gelege werden durch eine Papier- oder Fadenheftung zusammen gehalten.

• Multiaxialgelege
  

Werden die Fasern nicht ausschließlich in der Ebenhe orientiert, so spricht man von Multiaxialgelegen. Meist werden die zusätzlichen Fasern senkrecht zur Laminatebene orientiert, um das Delaminations- und Impactverhalten zu verbessern.

• Gesticke
  

Möchte man einzelne Rovings in der Ebene nicht nur gestreckt aufbringen, sondern auf beliebigen Bahnen, so verwendet man Gesticke. Die Rovings werden dabei auf ein Trägermaterial (z.B. ein Vlies) gestickt und so fixiert. Gesticke werden häufig im Bereich von Lasteinleitungen verwendet, da hier oft eine komplexe Faserorientierung gewünscht ist. Gesticke werden als Vorformlinge für das RTM-Verfahren verwendet.

• Geflechte
  

Im Flechtverfahren werden aus Rovings hauptsächlich Schläuche geflochten, die der Herstellung von Rohren, Behältern oder allgemein hohlen Bauteilen dienen.

• Matten
  

Sollen Bauteile mit quasiisotropen Eingenschaften Hergestellt werden bieten sich Fasermatten an. Die Matten bestehen meist aus Kurz- und Langfasern, die locker über ein Bindemittel miteinander verbunden werden. Durch den Einsatz von Kurz- und Langfasern sind die mechanischen Eingenschaften von Bauteilen aus Matten denen von Geweben unterlegen.

• Vliese
  

Vliese werden durch das Vernadeln von Langfasern hergestellt. Sie dienen, als dünne Schicht aufgebracht, dem Oberflächenschutz oder der Verbesserung der Oberflächenwelligkeit. Die mechanischen Eigenschaften sind quasiisotrop und denen von Geweben unterlegen.

• Feinschnitt
  

Feinschnitte finden hauptsächlich als Füllstoff Verwendung. Sie können die mechanischen Eigenschaften von Reinharzbereichen erhöhen und gegebenfalls die Dichte herabsenken.

• Abstandsgewebe
  

Abstandsgewebe dienen zur Herstellung von Sandwichstrukturen.

Faserschlichten

Bei der Verarbeitung von Fasern, z.B. dem Weben, wird auf die Fasern ein Schutzüberzug, die Schlichte aufgetragen. Dies ist besonders bei kerbempflindlichen Fasern wie der Glasfaser notwendig. Eine solche Schlichte nennt man Webschlichte. Sie wird in der Regel nach dem Weben wieder entfernt.

Die Schlichte kann auch als Haftvermittler zwischen Faser und Matrix dienen. Dazu muss jedoch die Schlichte auf das entsprechende Matrixsystem abgestimmt sein. Fasern mit einer Expoidschlichte (Silanschlichte) sind nur eingeschränkt in Thermoplasten einsetzbar. Eine haftvermittelnder Auftrag kann die Faser-Matrix-Haftung erheblich steigern.

Verwendete Matrixsysteme

Grundsätzlich unterscheidet man faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer (Thermoplast) und duroplastischer (Duroplast) Matrix.

Thermoplastische Matrix

Als Matrix sind grundsätzlich alle gängigen Thermoplasten verwendbar. Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix lassen sich nachträglich umformen oder verschweißen. Nach dem Abkühlen der Matrix sind faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix einsatzbereit. Sie erweichen jedoch bei erhöhter Temperatur. Mit zunehmendem Fasergehalt sinkt ihre Kriechneigung. Als thermoplastische Werkstoffe bei hohen Temperaturen eignen sich z.B.:

• Polyetheretherketon (PEEK)
• Polyphenylensulfid (PPS)
• Polysulfon (PSU)
• ...

Duroplastische Matrix

Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen jedoch einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Die Temperatureinsatzgrenze wird durch die Lage der Glasübergangstemperatur bestimmt. Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf.

Als Matrix kommen die folgenden Harze zur Anwendung:

• Epoxidharz (EP)
• ungesättigtes Polyesterharz (UP)
• Vinylesterharz (VE)
• Phenol-Formaldehydharz (PF)
• Diallylphthalatharz (DAP)
• Methacrylatharz (MMA)
• Polyurethan (PUR)
• Aminoharz
• ...

Elastomere Matrix

Als typische Vertreter von Elastomeren als Matrix in faservertärkten Kunststoffen sind Gummi und Polyurethan (PU) zu nennen. Elastomere kommen, aufgrund ihrer geringen Steifigkeit, nicht in Strukturbauteilen zu Einsatz. Eine Ausnahme bilden schlaufenförmige Bauteile wie Keil- oder Zahnriemen.

Wahl eines Matrixsystems

Die Wahl des Matrixsystems entscheidet über die Einsatzgrenzen des faserverstärkten Kunststoffs. Neben den mechanischen Eigenschaften der Matrix z.B. des Elastizitätsmoduls gibt es eine Reihe von weiteren Kriterien:

• Temperatureinsatzbereich (Schmelzpunkt, Glasübergangstemperatur)
• Medienbestädigkeit (sauer, basisch)
• Strahlungsbeständigkeit (UV-Strahlung)
• Langzeitverhalten (Kriechen, Relaxation)
• Feuchteaufnahme
• Schlagzähigkeit

Vorimpregnierte Halbzeuge

Neben den reinen Faserhalbzeugen (Gewebe, Vliese usw.) existieren eine Reihe von vorimprägnierten Faser-Matrix-Halbzeugen. Diese Halbzeuge liegen meist in Platten-, Band- oder Strangform vor.

thermoplastische Halbzeuge

GMT bedeutet Glasmatten verstärkter Thermoplast. Bei der Herstellung werden Glasfasergewebe oder Glasvliese in Verbindung mit Thermoplasten (meist PP) zu Halbzeugen verarbeitet. Dies Halbzeuge können nach dem erwärmen durch Pressen weiterverarbeitet werden.
Die Kombination mit anderen Vertärkungsfasern als der Glasfaser ist auch möglich.

LFT bedeutet Langlasfaser verstärktes Thermoplast. Bei dem G-LFT Verfahren werden lange Fasern in Granulatform (PP Matrix) aus einem offenen Extruder direkt in eine Pressform gebracht und umgeformt. Beim D-LFT Verfahren wird in einem Extruder die Matrix (meist PP) plastifiziert und in einem Mischer mit auf Länge gekürzten Endlosfasern vermengt. Das faserhaltige Plastifikat wird dann in Form gepresst.

duroplastische Halbzeuge

SMC (Sheet Moulding Compound) besteht aus Kurz- und Langfasern. Es liegt als Plattenware vor und wird im Heißpressverfahren verarbeitet. Zuschlagstoffe verhindern das Ankleben der Matrix an Werkzeugen und machen das Halbzeug so handhabbar. Als Matrix findet häufig ein ungesättigtes Polyesterharz (UP) Anwendung. Ist bei dem Bauteil eine hohe Schlagzähigkeit gefordert, werden auch Vinylesterharze (VE) verwendet. Andere Matrixsysteme existieren ebenfalls. Die Aushärtung des faserverstärkten Kunststoffs erfolgt durch erhöhte Temperatur und gegebenenfalls zusätzlichen Druck.

BMC (Bulk Moulding Compound) besteht aus Kurz- und Langfasern. Es liegt als teigige, formlose Masse vor. Die Zusammensetzung ähnelt der von SMC. Die Aushärtung erfolgt wie bei SMC.

Prepregs (Preimpregnated Fibers) bestehen aus Endlosfasern. Prepregs werden meist als bandförmige Ware aufgewickelt geliefert. Die Endlosfasern können als unidirektionale Bänder (UD-Bänder), Gewebebänder oder Multiaxialgelege im Prepreg vorliegen. Die Aushärtung erfolgt wie bei SMC und BMC.

Recycling

Die Art und Weise, wie ein Faser-Kunststoff-Verbund wiederverwendet werden kann, hängt von dessen Matrixsystem ab. Für alle Verbunde gilt jedoch, das eine vollständige stoffliche Wiederverwertung, wie z.B. bei Metallen, nicht möglich ist.

Eine Sonderstellung nehmen spezielle Matrixsysteme mit Naturfasern ein. Diese sind zum Teil vollständig biologoisch abbaubar. Solche Verbunde haben jedoch niedrige Festigkeiten und Steifigkeiten und kommen daher nur bei mechanisch gering belasteten Bauteilen zur Anwendung.

Duroplastische und elastomere Verbunde

Faser-Kunststoff-Verbunde mit solchen Matrixsystemen sind nur sehr eingeschränkt wiederverwertbar. Die chemische Extraktion der Fasern verbietet sich in den meisten Fällen aus Umwelt- und Kostengründen. Eine Möglichkeit besteht im Mahlen der Bauteile. Das so gewonnene Pulver kann als Streckmittel z.B. in SMC und BMC eingesetzt werden.

Thermoplastische Verbunde

Eine stoffliche Wiederverwertung von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden ist teilweise möglich. Dazu wird das Bauteil geschreddert und als kurzfaserverstärkter Kunststoff weiter verwendet. Durch die Nutzungszeit und das erneute Aufschmelzen degradieren jedoch die Eigenschaften des Kunststoffs. Solche Recyklat-Granulate werden daher nur noch bei untergeorneten Anwendungen eingesetzt. Desweiteren bleiben Lang- oder Endlosfasern nicht erhalten. Die mechanische Güte des Recyklats sinkt damit deutlich.

Verarbeitungsverfahren

Die Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden hängen in erster Linie von der Art der verwendeten Halbzeuge ab. Einige Verfahren sind sowohl mit impregnierten als auch mit trockenen Halbzeugen anwendbar.

Die Auswahl des Verfahrens richtet sich weiter nach der zu fertigenden Stückzahl sowie den geometrischen Abmessungen des Bauteils. Da viele Strukturen auch alternativ mit anderen Halbzeugen und Verfahren hergestellt werden können, spielen bei der Auswahl wirtschaftliche Kriterien eine wichtige Rolle.

Verfahren für vorimpregnierte Halbzeuge

• Autoklavverfahren
• Faserspritzen
• Pressen
• Pultrusionsverfahren
• Spritzguss
• Wickelverfahren

Verfahren für trockene Halbzeuge

• Handlaminieren
• Harzinjektionsverfahren
• Wickelverfahren

Auslegung und Berechnung

Die Auslegung und Berechnung vom Faser-Kunststoff-Verbunden ist in der VDI 2014 beschrieben. Ältere Richtlinien, wie z.B. die VDI 2013, wurden zurückgezogen und sind nicht mehr gültig.

Steifigkeit

Die Berechnung der Steifigkeiten erfolgt mit der klassischen Laminattheorie. Sie beruht auf der Betrachtung von Elementarschichten, den UD-Schichten. Aus der klassischen Laminattheorie lassen sich globale Ingenieurskonstanten ableiten, mit denen z.B. in FEM-Programmen gearbeitet werden kann.

Eine überschlägige Auslegung ist mit der Netztheorie möglich. Sie vernachlässig das Wirken der Matrix und geht damit vom ungünstigsten Fall aus. Die Netztheorie findet z.B. bei Bauteilen Anwendung, bei denen damit gerechnet werden muss, daß die Matrix erweicht oder schmilzt.

Festigkeitsnachweise

Der Festigkeitsnachweis erfolgt mit Hilfe von Bruchkriterien für Faserkunststoffverbunde. Diese können differenzierend sein, also die Brucharten unterscheiden, oder pauschal. Ein pauschaler Nachweis sagt nichts über die Versagensart aus. In der VDI 2014 wird ein differenzierendes Kriterium verwendet (Zwischenfaserbruchkriterium nach Puck).

Bei Bauteilen aus faservertärktem Kunststoff spielen beim Festigkeitsnachweis Versuche eine wichtige Rolle. Da die Haftungsbedingungen zwischen Faser und Matrix nicht bekannt sind, kann auf eine experimentelle Überprüfung selten verzichtet werden. Desweiteren können kombinierte Umwelteinflüsse wie Medienangriff und hohe Temperaturen quasi nur durch einen Versuch beurteilt werden.

Anwendungsbeispiele

• ...

Literatur

• H. Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Springer-Verlag, 2005. ISBN 3-540-40283-7