Eigenschaften

Leichtbau ist die ganzheitliche Umsetzung einer Entwicklungsstrategie, die darauf ausgerichtet ist, unter vorgegebenen technischen, ökonomischen, ökologischen und gesellschaftlichen Randbedingunegen die geforderte Funktion durch eine System minimaler Masse unter Gewährleistung der Systemzuverlässigkeit zu realisieren.

Ziel: Gezielte Kombination unterschiedlicher Werkstoffe / Werkstoffeigenschaften —> “Der richtige Werkstoff am richtigen Ort”

Vorteile:

• Optimale Nutzung der Einzelwerkstoffe

• Neue und kombinierte Eigenschaftsprofile

• Gutes Kosten-Nutzenverhältnis

• Hohes Leichtbaupotential

• Funktionsintegration

• Verbesserte physikalische und chemische Eigenschaften

• Reperaturfähigkeit Plattformstrategie

Herausforderungen:

• Zunahme der Karosserie-Komplexität

• Optimale Auslegung der Einzelwerkstoffe im Systemkontext

• Komplexe Füge- und Montageprozesse

• ∆alpha - Problematik / Korrosion

• Komplexe Simulationsmethoden erforderlich

• Kreislaufführung

Strukturleichtbau

Ziel: Ökonomische Leichtbaulösung

Verstärkung: kontinuierlich

Projektbeispiel: Unterboden

Funktionsleichtbau

Ziel: Leichtbaupotential bei gleichzeitiger maximaler Funktionsintegration

Verstärkung: Diskontinuierlich

Projektbeispiel: Direktgekühler Elektromotor mit Leichtbaugehäuse

Faserverbundwerkstoffe (Anisotropie)

Idee: “Effiziente und nachhaltige Leichtbaulösungen basieren auf einem ganzheitlichen Verständnis”

• Geringeres spezifisches Gewicht

• Hohe Festigkeit

• Bestimmte physikalische Eigenschaften

• in Einzelfällen aus Kostengründen

• Eigenschaften gezielt einstellbar

• Korrosionsunempfindlich, wenn auch nicht uneingeschränkt

• Heterogener Werkstoff, der aus mindestens zwei oder mehreren nicht ineinander löslichen Komponenten (Phasen) besteht

• Makroskopisch quasi-homogen

• Unterscheidung zwischen Füllstoff und Verstärkungsstoffen

• Optimierbare Eigenschaften für spezifische Anwendungen

• Vorausetzungen:

  • Eigenschaften der Komponenten um ein Faktor >3 verschieben

  • Anteile der Komponenten >10 Masse-%

Füllstoffe ist der Oberbegriff von Stoffen, die sich nicht in der Matrix lösen. Verstärkungsstoffe sind in der Matrix gelöst.

• Geringere Dichte

• Hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Steifigkeit

• Sehr gutes Ermüdungsverhalten

• Hohe Integrationsfähigkeit

• Trotz geringer Dichte hohe Festigkeit und Steifigkeit (gezielte Anisotropie möglich)

• Sehr geringe Wärmedehnung in Faserrichtung

• Anwendungsabhängig:

  • Geringere Wärmeleitfähigkeit

  • Geringere elektrische Leitfähigkeit

• Sehr gute Korrosionsbeständigkeit

• Teilweise geringe Schadenstoleranz

• Spezielle Kenntnisse nötig für Design und Dimensionierung

• Keine umfassend Beschreibung des Verhaltens während der Lebensdauer möglich

• Aufwendige Qualitätssicherung

• Meist geringere Temperaturstabilität als Metalle

• Relativ sprödes Versagen - geringere Schadenstoleranz (gilt v.a. für Duromere)

• Oft hohe Kosten

  • Vor allem bei Kohlestoff- und Armaidfasern

• Heterogener Werkstoff, der aus mindestens zwei oder mehreren nicht ineinander löslichen Komponenten (Phasen) besteht

• Makroskopisch inhomogen

• Beispiele:

  • Stahlbeton

  • Zylinderkopfdichtung

  • Radialwellendichtung

Verstärkungsfasern sind z.B. aus Carbon, Glas oder Aramid.

Fertigungsverfahren sind z.B. die Autoklavtechnik oder die Injektionsverfahren.

Matrixsysteme sind aus Duromeren oder Thermoplasten.

Verstärkungsfasern beeinflussen die Hochleistungs-Faserverbundstruktur hin hinsicht auf die spezifische Festigkeit und spezifische Steifigkeit, die Fertigungsverfahren durch Konsolidierung/Aushärtung und das Matrixsystem bietet Schutz, Fixierung und Stützung der Faser.

• Matrixbruchdehnung > Faserbruchdehnung

• Matrixfestigkeit < Faserfestigkeit

  • ABER: die Matrix bestimmt die Zugfestigkeit quer zur Faserrichtung bei Mehrschichtverbunden

• Matrixsteifigkeit < Fasersteifigkeit

• Faser-Volumenanteil muss oberhalb einem kritischen Wert liegen

• Die Grenzflächenfestigkeit des Verbundes sollte höher sein als die Schubfestigkeit der Matrix

• Die Interlaminare Festigkeit wird durch die Matrixeigenschaften bestimmt

1. Paradoxon des festen Werkstoffs (Zwicky)

   Die wirkliche Festigkeit eines Stoffs ist sehr viel geringer al die theoretisch berechnete

   Grund hierfür sind Mikrofehlstellen

2. Paradoxon der Faserform (Griffith)

   Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach höhere Festigkeit, als das gleiche Material anderer Form

   Je dünner die Faser, umso höher die Festigkeit

3. Paradoxon der Einspannlänge

   Je kürzer die Einspannlänge (Messlänge), umso größer ist die gemessene Festigkeit einer Faser

4. Paradoxon der Verbundwerkstoffe (Slayter)

   Ein Verbundwerkstoff kann als Ganzes Spannungen aufnehmen, die die schwächere Komponente zerbrechen würden

   Zudem kann von der stärkeren Komponente im Verbund ein höherer Anteil seiner theoretischen Festigkeit übernommen werde, wie es ihr alleine möglich wäre

• Werkzeugtemperatur

• Werkzeuginnendruck

• Einspritzgeschwindigkeit

• Werkzeugschließprofil

• Harz-Vorwärmtemperatur

• Compoundier Schnecken

• Angusslage/-geometrie

• etc.

• Kristalisation-/ Vernetzungsgrad

• Molekühlkettenaufbau

• Fasergehalt/ Additive/ Füllstoffe

• Molekühlorientierungen

• Viskosität

• Typ der Verstärkungsfaser

• Wassergehalt

• etc.

• Mechanische Kennwerte (Zugfestigkeit, E-Modul,…)

• Maßhaltigkeit/Verzug

• Eigenspannungen

• Max. Einsatztemperatur

• UV-Beständigkeit

• etc.

• Relativer Faservolumenanteil phi:

  • Ist abhängig von der Verstärkungsart (Kurz-, Lang- oder Endlosfaser) und der Faserarchitektur

  • Ist für die Dimensionierung DIE wichtigste Größe

  • messtechnisch sehr schwer zu bestimmen

  • Ebenfalls für die Normierung von Prüfkörpern wird der relative Faservolumenanteil benötigt (z.B.: Zugprüfung, Charpy,…)

• Relativer Fasermesseanteil psi:

  • Ist wichtig für die Bauteilfertigung und messtechnisch einfacher zu bestimmen (Thermo-Gravimetrische Analyse TGA)

• Dichte des Verbunds:

• Äußere Zugkräft werden über Schubspannungen auf die Faser übertragen

  • Hervorgerufen durch ein unterschiedliches Verfomungsverhalten von Faser und Matrix —> E_Matrix << E_Faser

• Einfluss auf die Lastübertragung haben:

  • Das Längen/Durchmesser-Verhältnis der Faser (aspect ratio)

  • Eigenschaften der Faser-Matrix-Grenzfläche

  • Das Verhältnis E_Matrix zu E_Faser

Die kritische Faserlänge gibt den Übergang zwischen Faserbruch und Herausreißen einer Faser aus der Matrix an.

• Soll das Festigkeitspotential der Faser vollständig genutzt werden, müssen die Fasern hinreichend lang sein, damit sie bis zu ihrer Bruchspannung belastet werden können. —> Es wird die sog. kritische Faserlänge definiert.

• Für L<L_krit können die Fasern sogar als Fehlstellen eine negative Auswirkung auf die Festigkeit und Schlagzähigkeit haben

• Eine Steifigkeitserhöhung erfolgt bereits für L< L_krit

• Eine Verbesserung der Schlagzähigkeit tritt erst auf für relativ lange Fasern, L≥ L_krit

• Debonding (Ablösen der Matrix von der Faser) und Fasergleiten in Regionen abgelöster Matrix

• Fiber-pull-out

• Matrixbruch

  • Spröde oder duktil

• Faserbruch (spröde)

• Nicht immer ist eine maximal gute Faser-Matrix-Haftung von Vorteil

• Eine mittelmäßige Haftung zwischen Faser und Matrix erhöht u.U. im Falle eines Impacts die Energieaufnahmefähigkeit des Verbundes —> Fiber-pull-out

• Energieaufnahme ist abhängig von Faserlänge und dem -Durchmesser, sowie der Scherspannung in der Grenzfläche

• Für die relativ kruze Faser L_1 wird eine höhere Faser-Auszugsenergie w_p erreicht, wenn die Faser-Matrix-Haftung verbessert wird

  • der Index p steht für die Energiedissipation durch den Pull-out-Effekt

• Für L_2 > L_1 erhöht sich die Auszugsenergie im Falle einer schlechteren F-M-Haftung

• Isotropes Materialverhalten von Metallen

  • Materialkonzept und konstruktive Gesaltung sind entkoppelt

• Anisotropes Materialverhalten von UD-Laminaten

  • Materialkozept und Gestaltung sind Gekoppelt

  • Winkelabweichung von 10° zwischen Belastungsrichtung und Faserorientierung —> auf ca. 70% verringerte Steifigkeit

• Um die Verstärkungswirkung durch die Fasern zu erhöhen, kann zusätzlich die Haftung zwischen den Fasern und der Matrix verbessert werden

• Macht das Aufbringen von Haftvermittlern auf die Faser nötig

• Auch heute noch sind die Wirkmechanismen in der Faser-Matrix-Grenzfläche nicht vollständig geklärt

• Chemisch-kovalente Bindung

  • Größte Bindungsenergie

  • Erfordert das Vorhandensein von reaktionsfähigen Endgruppen auf der Faseroberfläche und im Matrixsystem

    —> Vorranging bei Duromeren wirksam/möglich

• Physikalische Sekundärbindungen

  • Van-der-Waals-Bindungen, Wasserstoffbrücken-Bindungen

    —> Vorranging bei Thermoplasten wirksam/möglich

• Elektrische Anziehung

• Mechanische Haftung über Kraft-/Formschluss

  • Besonders bei hoher Schwingung der Matrix zur Faser hin

    —> Vorrangig bei teilkristallinen Thermoplasten

• Beschichtung der Faser mit Haftvermittlern (coupling agent):

  • Soll für eine verbesserte Anbindung zwischen Faser und Matrix sorgen

  • Können auch direkt bei der Verbindung des Matrixmaterials beigement werden (inline compounding)

  • Unterschiedliche Haftvermittler für Thermoplasten und Duromere:

    • Thermoplasten: Maleinsäureanhydrid

    • Duromere: Silane

• Chemische oder physikalische Oberflächenbehandlung:

  • Entfernen der geschwächten Faseroberflächen oder von Verunreinigungen

  • Hinzufügen chemisch reaktiver Gruppen auf die Faseroberfläche (Plasmabeschichtung, Beflammung)

  • Oberflächenstruktur verändern

  • Benetzbarkeit der Fasern verbessern

• Die Schlichte ist ein “chemischer Cocktail” dessen genaue Zusammensetzung gut gehütete Firmengeheimnisse sind

  • Verbessert die Verarbeitungseigenschaften der Faser

    • Tränkverhalten, Schmiegsamkeit, Schiebfestigkeit der textilen Halbzeuge, Handhabung während der Drapierung

  • Erhöht die Biege- und Druckfestigkeit der Faser

  • Reduziert den Festigkeitsabfall nach Wassereinlagerung

  • Da für Thermoplasten und Duromere unterschieldiche Haftungsvermittler eingestzt werden, werden meist die Fasern mit Schlichten für spezielle Matrices verkauft

• Oberflächenmodifikation zur Erhöhung der Reaktivität und der Matrixkompatibilität

  • Das Faserfinish hat im günsigsten Fall, die gleiche chemische Zusammensetzung wie die spätere Matrix

    • Deswegen ist eine sehr gute Anbindung von EP und Kohlestofffasern möglich

  • Bei HM Fasern ist die mechanische Kopplung wichtiger

    • Durch die stärkere Orientierung und glattere Oberfläche ist die Bindungsausbildung schlechter

      • Besonders problematisch ist die Anbindung an Thermoplasten

• Verfahrensbeispiel:

  • die Faser wird anoxidiert, wodurch kovalente Bindungen mit der Matrix hergestellt werden können

• Keine Haftvermittler verfügbar

  • die Armaidfaser ist chemisch inert

• Eine mechansiche Haftung ist wegen der sehr glatten Oberfläche nicht möglich

• Die Beschichtung der Aramidfaser, die Avivage, dient deshalb hauptsächlich zum Schutz der Faser

• Die Anlagerung reaktiver Gruppen durch Plasmabehandlung wurde erfolgreich getestet

  • Noch nicht in der praktischen Anwendung verarbeitet