• Verstärkung + Matrix = Verbundstoff

Matrizen:

• Organische Matrix-Verbundwerkstoffe

• Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffe (PMCs)

• Kohlenstoff‐Kohlenstoff‐Verbundwerkstoffe

• Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMCs)

• Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe (CMCs)

Verstärkung:

• Faserverstärkte Verbundwerkstoffe

• Schichtverbunde

• Partikuläre Verbundstoffe

• höhere richtungsmechanische Eigenschaften (spez Zugfestigkeit – das Verhältnis von Materialfestigkeit zu Dichte ist 4 mal größer als die von Stahl und Aluminium)

• geringere Dichte (20 % bis 40 %)

• höhere Dauerfestigkeit

• höhere Zähigkeit als Keramik und Gläser

• einfach zu bearbeiten

• sehr gute Chemikalien- und Witterungsbeständigkeit

• nicht oft umweltfreundlich

• geringe Wiederverwertbarkeit

• kann beschädigt werden

• sichert die geometrischen Positionen der Fasern

• schützt die Faser vor Umwelteinflüssen

• gibt dem Bauteil die äußere Form

• Polymer

  -> Duroplaste

  -> Thermoplaste

• Metall

  -> Legierungen (Stahl, Aluminium)

• Keramik

  -> Glas

  -> Zement

  -> Keramik

• Kohlenstoff und Graphit

• als Granulat erhältlich handhabungssicher und lange lagerfähig bei Raumtemperatur

• Duroplaste kennen keinen Erweichungs­bereich, der Werkstoff behält auch bei hohen Temperaturen seine Festigkeit und verfügt über eine hohe Wärmeform­beständigkeit.

• Duroplaste zeichnen sich durch ihre Härte und Steifigkeit aus.

• Der geringe Ausdehnungs­koeffizient bringt eine hohe Maßstabilität. Auch das Brandverhaltenvon Duroplasten ist vorteilhaft.

• teure Werkzeugkosten rechnen sich erst bei hohen Stückzahlen

• die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Chemikalien variiert über große Flächen

• Erhöhte Arbeitssicherheit bei der Verarbeitung

• bisher nur umständliches Recycling möglich

• lange Fertigungszeit

• Nicht Schweißbar

• anorganisch:

  • Stein

  • Glas

• organisch

  • aramid

  • Hanffaser

• Kunstfaser -> 3 Wichtigste Kunstfasern -> Aramidfaser, Kohlefaser, Glasfaser

• Naturfasern -> Asbest

• sehr hohe Zugfestigkeit

• Reiner Kohlenstoff

• 2d kovalente Bindungen

• geringe Wärmeausdehnung

• nicht korrosiv

• hohe Beständigkeit gegen Säuren, Laugen u andere organische Lösungsmittel

• gute elektrische Leitfähigkeit

• 3D-Vernetzung führt zu Isotropie Eigenschaften.

  -> Isotropie -> Richtungsunabhängigkeit

• kovalente Bindungen zwischen Silizium und Sauerstoff.

• hohe Druckfestigkeit

• hohe Zugfestigekeit

• hohe Bruchfestigkeit thermische Eigenschaften

• hohe Hitzebeständigkeit chemische Eigenschaften

Glasfaser billig, weil Siliziumoxid überall ist -> Hand voll Sand

• 1d kovalente Bindungen gekoppelt durch Wasserstoffbrückenbindungen

• sehr hohe Orientierung (anisotrop)

  -> anisotrop -> nicht in alle Richtungen gleich stark

• hohe Zugfestigkeit

• geringe Dichte

• hohe Zähigkeit

• hohe Temperaturbeständigkeit

• geringe Wärmeausdehnung

Orange: Kohlefaser -> der Emodul ist viel höher als bei stahl ->viel Steifer

Pink: Aramidfaser

1. PAN-Vorläufer Spinnen und Strecken

2. Oxidation -> Stabilisierung und Verstreckung des Vorläufers an der Luft

3. Karbonisierung (bei hohen Temperaturen, unter sauerstofffreier Umgebung) Vakuum

4. Oberflächenbehandlung und Leimung

5. Wicklung

1. Baugewerbe 36%

2. Flugzeugbau, Fahrzeugbau 34%

3. Sport 14%, Elektronik 14%

Vorteile:

• weniger Gewicht

• Brechen nicht in splitter

• CO2 neutrale Verbrennung

• Bleibt beim Verbrennen nichts übrig

Nachteile:

• darf nicht nass werden

Bsp.

Baumwolle, Wolle, Asbest, Holz

• Kurzfaser

  • L = 0,1 bis 1 mm

  • am häufigsten beim Spritzgießen und Extrudieren von Thermoplasten verwendet

• Langfaser

  • L = 1 bis 50 mm

  • noch Spritzguss und Extrusion, Pressverfahren, Verstärkungsfasern für Duroplaste

• Endlosfaser

  • L > 50 mm

  • Gewebe und Vliese zum Pressen, Harzinjektion, Handlaminieren, Wickeln etc.

• Prepregs sind Faserplatten mit teilweise ausgehärtetem Harz (normalerweise Epoxid)

• Prepregs werden in einem Gefrierschrank gelagert, um die Aushärtung des Harzes zu verlangsamen

• Wird für kleinen Mengen benutzt

• Prepregs = vorimprägnierte Fasern

• Laminate sind mehrschichtige Verbunde, die aus beliebig vielen Einzelschichten aufgebaut sind

• Die Eigenschaften jeder Schicht (Material, Ausrichtung, Dicke, …) sind wählbar

• Die charakteristische Orientierung der Plättchen wird von Schicht zu Schicht variiert, um das Laminat maßzuschneidern Stärke für unterschiedliche Belastungsrichtung.

Faserverbundwerkstoffe haben keine isotropen Eigenschaften – allenfalls quasi-isotrop!

• Quasi-Isotope - annähernd gleiche Eigenschaften in jede Richtung

Die Methoden der offenen Formherstellung umfassen Folgendes:

• Tape-Layup

• Filamentwicklung

• Aushärtung im Autoklaven

• Nass-Layup oder Hand-Layup

• Aufsprühen

• Einsatz von offenen Formen mit überwiegend wannenartigen oder gewölbten Oberflächen. Vielseitigkeit der Bauteildesign, für geteilte Werkzeuge mit Hinterschneidungen.

• Darstellung beliebiger Laminatstrukturen (Wirrfaser, Mischlaminate), außer Wickeln Strukturen.

• Bauteile mit glatter oder strukturierter Oberfläche und faserstrukturierter Oberfläche.

• Bedingte Reproduzierbarkeit von Produktionsprozessen durch technische Einflüsse

• Wirtschaftlichkeit in der Einzelfertigung, z.B. Form und in kleinen bis großen Mengen

Modellbau, Bootsbau

Verarbeitungsschritte:

1. Trennmittel auf die Form auftragen

2. ggf. Auftragen eines Lacks oder Gelcoats

3. Einlegen der Verstärkungsfasern (z. B. Maßgewirke Schichten) und mit einem duroplastischen Harz imprägnieren

4. Harz mit Laminierwalze verteilen

5. nachfolgende Gewebeschichten werden nass in nass aufgetragen

6. Aushärten ohne Druck bei Raumtemperatur oder unter Druck in einem Autoklaven

• ist ein Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Körper.

  
  

• Form im Vakuumbeutel

• qualitativ hochwertige Komponenten produzieren

• Vakuumofen mit hoher Temperatur -> Prinzip wie Druckkochtopf

Herstellung von Laminaten mit hohem Fasergehalt

+ geringe Investkosten

+ Prozess sehr flexibel

- Autoklave selbst teuer

- viele Schritte und Handarbeit

Harzinfusionsverfahren

Resin transfer molding

-> wie Flächenformen

-> für Massenfertigung

• gut für Prototypen und kleine Serien

  -> Formel 1

• gut für kleine und mittle große Serien

  -> Kleinserienfertigung