Welche Charakteristika sollen Leichtbauwerkstoffen besitzen?
Hohe Festigkeit & hohe Steifigkeit bei
gleichzeitig geringer Dichte & hohe Ermüdungsfestigkeit
Welche Vorteile bieten Faser-Kunststoff-Verbunde?
leichte Bauweise
freie Formgestaltung
höchstbelastbare Prototypen sind einfach und schnell, mit handwerklichen Mitteln herstellbar
hohe Korrosionsbeständigkeit -> Wartungsfreiheit
sehr guter Isolator
geringe Wärmeleitfähigkeit -> gute thermische Isolation
hohe Energieaufnahme bei Schlagbelastung
Gesamt-Energiebilanz günstiger als bei Metallen
Welche Nachteile bieten Faser-Kunststoff-Verbunde?
Werkstoffpreise zu hoch
Fertigung muss noch stärker automatisiert werden
es fehlen werkstoffgerechte Konstruktionslösungen insbesondere für Krafteinleitungen
Keine Wiederverwendbarkeit -> Recycling
Wo ist der Einsatz von FKV in den verschiedenen Branchen am höchsten zu verzeichnen? Was sind deren primären Nutzungsziele?
Luft- und Raumfahrt -> Leichtbau
Bootsbau -> Korrosionsbeständigkeit und freie Formgebung
Sportgeräte -> Freie Formgestaltung
Welch Hinweise zur Entwicklung von Faserverbund-Bauteilen gibt es zum jetzigen Zeitpunkt?
Der Preis ist die entscheidende Größe
Konstruktionsphilosophie: Immer mit dem kostengünstigsten Werkstoff arbeiten; zuerst konstruktive Lösungen suchen
nicht unbedingt alles aus FKV
Verdrängungswettbewerb
Nach welcher Methodik werden FKV benannt?
allgemein: Faser-Kunststoff-Verbund
präzisiert: Glasfaser-Polyamid-Verbund
abgekürzt: GF-PA
Worin bestehen die erweiterten Dimensionierungsaufgaben bei FKV im Vergleich zu isotropen Konstruktionswerkstoffen?
Anteil der Fasern in den einzelnen Schichten
Faserrichtungen
einzelne Schichtdicken
Schichtreihenfolge
Was ist eine UD-Schicht?
Unidirektionale Schicht:
Fasern exakt parallel in eine Richtung
Fasern gleichmäßig über Querschnitt verteilt
Fasern ideal gerade
Ideale Haftung zwischen Fasern und Matrix
Was beduetet MSV? Welche Skalen werden betrachtet?
Mehr-Schichten-Verbund -> Laminat
Mikromechanik: Mechanik in mikroskopischen Dimensionen: Zusammenwirken Faser-Kunststoff-Verbunden und Verarbeitungsverfahren
Makromechanik: Zusammenwirken der Einzelschichten. Fasern gleichmäßig und unendlich fein in Matrix „verschmiert“ gedacht = homogenes Kontinuum → d.h. Eigenschaften von Fasern und Matrix im statistischen Mittel erfasst
Homogener Körper: Ortsunabhängigkeit der Eigenschaften
Was ist ein homogener Werkstoff?
Ein Werkstoff dessen Eigenschaften Ortsunabhängigkeit sind, d.h. überall gleich sind.
Was versteht man unter Isotropie bzw. Anisotropie?
Isotropie: Richtungsunabhängigkeit, d.h. auf allen Schnitten innerhalb eines Körpers gleiche Eigenschaften.
Sonderfall:
Anisotropie: Richtungsabhängige Eigenschaften (Steifigkeiten, Festigkeiten, therm. Ausdehnungen....)
Bei welchen Analyseschritten erfolgt die schichtenweise Betrachtung?
Werkstoffgesetz UD → Schichtenweise
Spannungs-/Verformungsanalyse der Einzelschichten
Festigkeitsanalyse
Degradationsanalyse
Warum werden die kraftleitenden Elemente in Verbundwerkstoffen als Fasern ausgebildet? Worin besteht der Vorteil der Faserform?
Größeneffekt
Orientierung
Kerbfreiheit
Eingenspannung (nur Glasfaser)
Wie wirkt sich die Faserform auf die Versagensentwicklung aus?
Bruch in der Einzelfaser
Riss läuft nicht durch
Lastumverteilung auf anderen Fasern
Rissstoppereffekt durch die Matrix
Was ist bei der Beschaffung von Faserdaten zu beachten?
Bei wichtigen Bauteilen: Kennwerte selber ermitteln
Kostengünstige lösung: weit verbreitete Fasern mit bekannten Daten verwenden
Prospektdaten der Hersteller nur für Vorauslegung verwenden
Nennen Sie die Vor- und Nachteile von Glasfasern.
+ niedriger E-Modul
+ hohe Bruchbelastung
+ Anorganisch
+ Hohe Isolation
+ Transparent
+ Preiswert
- niedriger E-Modul
Welche Glasfasertypen gibt es?
E-Glas (elektrisch)
C-Glas (Chemie)
S-Glas (strength)
R-Glas (resistance)
Welche Möglichkeiten bestehen, Glasfasern vor aggressiven Medien zu schützen?
Liner
Chemischieschutzschicht
C-Glas verwenden
Welches sind die Vor- und Nachteile von Kohlenstofffasern?
+ niedrige Dichte
+ höchste Festigkeit
+ Höchste Steifigkeit
+ Anisotrop
+ Thermischer Ausdehnungskoeffizienten nahe zu 0
+ sehr gute wärme-/elektrische Leitfähigkeit
+ sehr chemisch beständig
- Teuer
- Schäden schlecht erkennbar
- sprödes verhalten
Wie lassen sich Steifigkeit und Festigkeit von C-Fasern einstellen?
Steifigkeit:
Graphitierungstemperatur
Orientierungsgrad
Festigkeit:
Vormaterial
Beseitigen von Oberflächenfehlern
Nennen Sie vor und Nachteile von Aramidfasern.
+ sehr niedrige Dichte
+ sehr hohe Festigkeit
+ äußerst zäh
+ thermischer Ausdehnungskoefizient < 0
- schwer zu verarbeiten
- geringe Längs-/Druckfestigkeit
- nimmt Wasser auf
- Abbau durch Uv-Strahlung
- Kriechneigung
Welche Faserarten gibt es noch, wie lassen sie sich grob einteilen?
PE-Fasern
Naturfasern
Hochtemperaturfasern
Wie gehen Sie bei der Faserauswahl vor?
Reicht Steifigkeit, dann E-Glass
Steifere bauteile, dann C-Fasern
Extremer Leichtbau, dann Aramid oder C-Fasern (evtl. gemischt)
Schlagzähigkeit, dann Aramid oder PE-Fasern
Schlichte -> Matixabhängig
Welche Aufgaben hat eine Schlichte?
Oberflächenschutz
Haftvermittler
Verbesserte Verarbeitbarkeit
Mit welchem „Härte“-Test prüft man die Eignung der Schlichte, bzw. die Eignung eines Faser-Matrix-Systems?
Querzugfestigkeit an Heiß-Feucht-Proben (Kochtest)
Was ist der Sinn und Zweck von textilen Halbzeugen?
Hestellungsprozess vereifachen und beschleunigen
Fertigungstiefe verringern
Kompetenzen anderer nutzen
Qualität steigern
Welche „Störungen“ finden sich in textilen Halbzeugen?
Verdrehungen bzw. Zwirnung
Welche textilen Halbzeugformen kommen in der Faserverbundtechnik zur Anwendung? Was sind typische Anwendungen der verschiedenen textilen Halbzeuge?
Gewebe
Matten und Vliese
3D-Gelege
Multiaxialgelege
Nennen Sie wichtige Gewebetypen?
Leinen Bindung
Köper Bindung
Atlas Bindung
Kettenstarkes Gewebe
Welche Verarbeitungs- und Anwendungs-Unterschiede bestehen zwischen einer Leinen– und einer Köperbindung?
Leinen:
schlecht drapierbar
billig
Köper:
hohe Zugfestigkeit
schwerer Verarbeitbar
teuerer
Wozu verwendet man Vliese?
Oberflächenverbesserung
Durchziehen von Größeren Struckturen verhindern
Welche Möglichkeiten bietet Abreißgewebe?
saubere Klebeoberfläche
Entlüftungsschicht
überflüssiges Matrixharz wird von ihr aufgenommen
Optik wird verbessert
Schlagschutz
bessere Entferungsmöglichkeiten vom Modell
Welche Maßnahmen ergreift man zum Blitzschutz?
Aluminium-Kupfer-Gewebeschicht mit einlaminieren
Aluminium Fasern in Gewebe einbringen
Verstärkungsfasern vernickeln
Welche Aufgaben hat die Matrix?
Fixierung der Fasern
Einleiten von Kräften
Stützen gegen Schubknicken
Rissstopperwirkung
Schutz von Umgebungseinflüssen
Welches sind die wichtigsten Merkmale bzw. Unterscheidungsmerkmale von Duroplasten, Thermoplasten und Elastomeren?
Duroplaste:
räumlich vernetzt
nich löslich
nicht schmelzbar
nicht recyclebar
sehr flüssig
thermisch Beständig
Thermoplaste:
räumlich nicht vernetzt
Amorph/Teilkristalin
Schmelzbar
höhere Viskosität
höhere Kriechneigung
Elastormere:
Raumlich schwach vernetzt
bei belastung hohe Verformung
Nennen Sie typische Vertreter der einzelnen Polymerklassen.
Duromere:
Epoxid - Harz
Polyester - Harz
Phenol - Harz
Polypropylen
Polyamid
PEEK
Elastomere:
Kautchuck
Gummi
Silikon
Welche generellen Aufgaben haben Füllstoffe, speziell bei FKV?
Strecken des teueren Kunststoffs
Eigenschaften der Kuststoffe verbessern
Einfärben
Wie ist die Systematik bei der Auswahl eines Matrixsystems?
Preis
Qualifizierung
Minimalisierung der Matrixpalette
Werkstoff- & Fertigungseigenschaften
Nach welchen Kriterien wählt man ein Matrixsystem aus?
Werkstoffeigenschaften
Fertigungseigenschaften
Wie wirken sich erhöhte Temperaturen auf die Matrixwerkstoffe von Faserverbunden aus?
tiefe Temperaturen unkritisch
hohe Temperaturen unterschiedlich
-> muss im Pflichenheft genaustens angegeben werden
Wie lautet das Kriterium der Temperaturbelastbarkeit?
Wendepunkt: Energieelastisch -> Entropieelastisch
Tg
<Tg -> spröde, glasartig
>Tg -> niedrige Steifigkeit, dehnbar
Beschreiben Sie die G-T-Kurve? Wie teilt man die verschiedenen Zustandsbereiche ein?
beschreibt Schubmodul über Temperatur
nimmt an bei höheren Temperaturen
Bereiche:
Energieelastischer Bereich
Glasübergangsbereich
Entropieelastischer Bereich
Was passiert bei Tg?
Änderung der Eigenschaften (E-Modul sinkt, thermische Ausdehnung steigt)
Übergang: Energieelastisch -> Entropieelastisch
Wo liegen die temperaturabhängigen Gebrauchsbereiche der verschiedenen Kunststoffklassen?
Duroplaste: T < Tg
Elastomere: T > Tg
Amorphe Thermoplaste: T < Tg
Teilkristaline Thermoplaste: T < Ts
Wodurch wird Tg beeinflusst?
rasche Härtung -> hohes Tg
Feuchtigkeit -> niedriges Tg
Welchen Einfluss hat Wasser auf Tg?
Kunststoffe nehmen Wasser auf
Wasser wirkt als Weichmacher
Senkt Tg deutlich ab
-> Prozess reversibel durch trocknen
Welche Verfahren kennen Sie zur experimentellen Bestimmung von Tg?
spezifische Wärme: DSC
Thermische Längenausdehnungskoeffizienten
Steifigkeitsänderung, meist Schubmodul
Welchen Punkt sollte der Konstrukteur in der G-T-Kurve bestimmen?
Tg(Onset)
Tg(2%)
Ist der Verbund oberhalb Tg belastbar? Grund?
Auf Zug belastbar
Nicht auf Druck, Schub oder Biegung
Nennen Sie einige Fertigungsanforderungen an ein Matrixsystem.
Nachhärten
Kontrolle des Härtungsgrades
Benetzung und Fasertränkung
Arbeitsschutz
Warum sollte man Duroplaste nachhärten?
härteste Festigkeiten
Höchste Temperaturbeständigkeit
beste Chemikalienbeständigkeit
Was ist bzgl. des Arbeitsschutzes zu beachten?
Sicherheitsdatenbläter auswerten
Betriebsanweisungen erstellen
Nassbearbeitung anstelle von Trokenbearbeitung
Abfall vermeiden
Nennen Sie einige Vor- und Nachteile der Polyesterharze.
+ Preisgünsitg
- Schlechtere mechanische eigenschaften
- Chemischer Schrumf im gelierten Zustand
Nennen Sie einige Vor- und Nachteile der Epoxidharze
+ geringe Schwindung
+ sehr gute Haft und Klebeeigenschaften
+ sehr gute Faser-Matrix-Haftung
+ sehr gute Ermüdungsfestigkeit
- sehr teuer
Vorteile und Probleme von Thermoplasten?
+ sehr große Anzahl
+ unbegrenzte Lagerzeiten
+ Hohe Arbeitshygene
+ Nachträglich umform- und Verschweißbar
+ Recyklebar
- hohe Viskosität, nicht gut tränkbar
- höhere Kriechneigung
Entwicklungsziele für vorimprägnierte Halbzeuge?
Fertigungskosten senken
Produktqualität steigern
Anhand welcher Merkmale gliedert man die vorimprägnierten Halbzeuge?
Faserlänge
Matrixtyp
Welche Anforderungen hat man bzgl. der Faserlänge?
Je länger, desto besser die Verstärukungswirkung
Je kürzer, desto größere Umformgrade und fließwege sind erreichbar
Wie sieht die Gliederung der Faser-Matrix-Halbzeuge, Namen der unterschiedlichen Halbzeugarten?
SMC = Sheet Moulding Compound
BMC = Bulk Moulding Compound
Nennen Sie einige Charakteristika von SMC-Formmassen.
als Matte ausgeliefert
Im Vergleich zu BMC eher für festere Bauteile verwendet
Was bezweckt man mit dem Eindickmittel bei SMC?
Klebrigkeit geht gegen 0 -> lederartig
Maschinen-verarbeitbar
Wann lohnt es sich, SMC zu verwenden?
Lackierfähige, sehr gute oberflächen
(Großes Anwendungsspecktrum)
lohnenswert bei mittleren Stückzahlen, wenn werkzeuge für Blechumformung zu teuer
Nennen Sie Gründe für die Entwicklung von Prepregs
Handwerkliche Tränkung auf Großflugzeugbau nicht übertragbar
Forderungen:
Hohe Faservolumenanteile
absolute Qualitätskontrolle
Zähmodifizierte Matrixharze
Was sind die Charakteristika von Prepregs?
Rollenware
Meist unidirektionale Rovings oder Gewebe
Vorteile, Nachteile von Prepregs?
+ Bestmögliche Laminatqualität
+ höchstbeanspruchbar
- Kühlkette (-16°C)
Woher rühren die hohen Kosten bei Prepregs?
Harz & Härter fertig gemischt -> lagertemperatur von -16°C
Laminataufbauten z.T. noch in Handarbeit
Verarbeitung in Autokalven -> Zeit/Energie
Charakterisieren Sie GMT.
Glasmattenverstärkte Thermoplaste:
Isotrop
Lieferung: plattenförmig
Anwendung: Automobilbau
Verarbeitung:
Über Schmelztemperatur erwärmen
in kaltes werkzeug per Roboter einlegen
Umformen mit gleichzeitigem Abkühlen
Vorteile, Nachteile von GMT?
+ Kostengünstig
+ unbegrenzt Lagerfähig
+ vollständiges Recycling
- sehr kurze Zykluszeiten
Welchen Sinn haben Garngemische?
Alle textilen halbzeugarten verwendbar
Komplizierte Geometrien drapierbar
Wie ist der Begriff des Dimensionierens bei FKV zu verstehen?
Angabe von Fasermengen
Faservolumenanteil
Welche Randbedingungen gibt es um den Faservolumenanteil festzulegen?
Verarbeitungsverfahren
Verfügbare Halbzeuge
Welche Methoden gibt es zur Bestimmung des rel. Faservolumenanteils?
Vorher: festlegen
Nacher:
Aus Wanddicke abschätzen
bestimmung des Glühverlusts
Chemische Extraktion
Mikroskopie
Wie errechnen sich die Dichte und der Mischpreis eines Verbundes?
(Stichwort, keine Formeln)
Dichte aus Mischungsregel
Mischpreis aus Mischungsregel, auf Basis der relativen Gewichtsanteile
Wie lauten die wichtigsten Regeln zur Kodierung von Laminaten?
Winkelangabe, z.B. (0/+30/-30)
Zählung beginnt mit erster Schicht im Werkzeug
Tief gestellte Indexzahl: Anzahl der jeweiligen Schichten
Charakterisieren Sie einen AWV?
(Ausgeglichener Wikelverbund)
gerade Anzahl an Schichten
gleich große Schichtwinkel
Senkrecht aufeinander stehende Symmetrieebenen
Orthotropie
Nennen Sie typische Anwendungsbeispiele für einen AVW?
Druckrohre
Antriebswellen
Warum orientiert man beim AWV die Winkel mit gleicher Größe aber umgekehrtem Vorzeichen?
Zur Erzeugung von Senkrecht aufeinander stehenden Symmetrieebenen.
Charakterisieren Sie einen KV; Anwendungsbeispiele?
90° Winkeldiferenz
-> Eine Schicht immer in Richtung der Hauptspannungen
-> z.B. Druckrohre (0,90)
Charakterisieren Sie ein Schublaminat einschl. Probleme und Varianten.
spezielles Laminat
eine Schicht immer ungünstig belastet:
Verbesserung: schwache Schicht dünner -> Orthropie geht weg
Charakterisieren Sie ein Flugzeugbau-Laminat (FBL).
Annähernd Isotrop
Häufig aus zwei Gewebelagen
Orthotrop
3 Schichtdicken zueinander optimieren
Charakterisieren Sie die quasiisotropen Laminate QIL.
Gleiche Schichtdicken
gleicher Fasertype
nicht immer leichtbau
aufteilung der 360° in gleiche Winkel
Für veränderliche Lasten
“Schwarzes Aluminium”
Ermittlung des Elastizitätsgesetzes eines Mattenlaminats?
Versuch
CLT (Klassische Laminattheorie)
Welche Faserbruch-Formen gibt es?
Faserbruch
Zwischenfaserbruch
Welche Verbesserungsmaßnahmen kann der Konstrukteur bei Faserbruch durch Zug ergreifen?
Fasermenge erhöhen
Ausreichend duktile Matrix
Wie ist der Faser-Druckbruch zu interpretieren?
kein Werkstoffversagen, sondern lokales Stabilitätsversagen
Eher Schubknicken durch imperfekte UD-Schicht
Wovon hängt die Faserbruch-Druckfestigkeit ab?
Vom Winkel der Faser -> Fehlorientierung
Welche Maßnahmen empfehlen sich, die faserparallele Druckfestigkeit zu steigern?
Fasern straff orientieren
Bohrungen vermeiden
Ränder abrunden
Ränder stützen
Was ist der Unterschied zwischen den Begriffen Festigkeit und Bruchwiderstand der Wirkebene?
Versagen nicht immer in der Wirkebene
Bruchwiederstand in der Wirkebene kann größer sein als die Festigkeit -> kein Versagen in der Wirkebene
Wo liegen bei den verschiedenen Belastungen der UDSchicht die Wirkebenen der Spannungen, wo die Bruchebenen?
Warum treten Brüche nicht immer auf den Wirkebenen der einachsig wirkenden Spannungen auf?
Weil der Bruchwiderstand der Wirkebene manchmal größer ist als die Basisfestigkeit.
Was ist die Ursache für frühzeitigen Zfb auf Querzug?
Unterschiedliche Dehnungsteifigkeiten von Faser und Matrix
Frühzeitige Rissbildung
Nennen Sie Abhilfemaßnahmen gegen frühzeitigen Zfb durch Querzug.
Poren und Lufteinschlüsse vermeiden
Höhere Feservolumenanteile erzielen höhere Festigkeiten
Zähmodifizierte Matrixsysteme einsetzen
Inwiefern ist Querdruckversagen „gefährlich“?
Kein echtes Druckversagen sondern Scherversagen!
-> Keilbruch
Was versteht man unter dem Begriff „Dehnungsvergrößerung“?
Matrixdehnung ist örtlich größer als Gesamtdehnung
Verhältnis der mikromechanischen Dehnung der Matrix zur Dehnung des Werkstückes
Von welchen Parametern ist die Dehnungsvergrößerung abhängig?
E-Modul
Wie entsteht das „Knie“ im Spannungs-DehnungsDiagramm eines MSV?
Zwischenfaserbruch in der 90° Schicht
-> Dehnungsvergrößerung im Laminat
-> Laminat weitehin Tragfähig
Inwiefern ist dies insbesondere bei GFK besonders nachteilig?
isotrop
-> quer und längs gleicher E-Modul
-> frühzeitig schon hohe Dehnungsvergrößerung und Querrisse
Erscheinungsformen/Ursachen, Detektion, Abhilfemaßnahmen von Delaminationen?
Zähmodifizierte Matrix
Einlegen zäher Thermoplastfolien zwischen den Schichten
Schnittmatten zwischen legen
Last changed2 years ago