6 Faserverbundkunststoffe

• leicht

• hochfest und extrem steif

• herausragendes Leichtbaupotenzial

ABER: Anforderungsgerechtes Design des Bauteils und des Werkstoffs

Glasfaser:

• anorganisch

• Isotrop

• mäßige Festigkeit und Steifigkeit bei hoher Bruchdehnung (3-5%)

• Unterscheidung zwischen E-, R- und C-Faser (Standard, hochfest und hochbeständig)

• kostengünstig

Kohlenstofffaser:

• organisch

• Anisotrop

• hohe Festigkeit (HT), hohe Steifigkeit (HM) oder hohe Energieaufnahme (HST) oder IM (Mischung aus HM und HST)

• geringe Dichte

• negativer Wärmeausdehnungskoeffizient

• elektrisch leitend

• sehr teuer

• schlagempfindlich

Aramidfasern:

• synthetisch

• Synthesefasern aus Thermoplasten mit sehr hoher Schmelztemperatur

• Kristallinität und Orientierung

• ebenfalls mit negativer Wärmeausdehnung

• schlagzäh

Aufgaben:

• Fixierung der Fasern in der gewünschten geometrischen Anordnung

• Übertragung der Kräfte auf die Fasern

• Stützung der Fasern bei Druckbeanspruchung (Knicken, Stabilität)

• Schutz der Fasern vor Umgebungsmedien (Feuchtigkeit, Chemikalien, Sauerstoff usw.)

Matrixkunststoffe = Matrixwerkstoffe = Matrixmaterial

Materialkennwerte üblicher Matrixwerkstoffe:

+ hohe Schlagzähigkeit und Bruchdehnung

+ gutes Druck-, Stauch- und Knickverhalten

+ gute Medienbeständigkeit, geringe Feuchteaufnahme

+ kurze Verarbeitungszyklen (keine Aushärtung erforderlich)

+ Schweißbarkeit

+ Rezyklierbarkeit der Abfälle

+ unbegrenzte Lagerzeit bei Raumtemperatur

– Kriechneigung bei höheren Temperaturen

– hohe Temperaturen und Drücke, schwierige Prozessführung bei Verarbeitung

– hohe Viskosität, erschwert die Benetzung mit Verstärkungsfasern

Herleitung:

Elastizitätsmodul senkrecht zur Faser wird auch Reuss Grenze genannt

Elastizitätsmodul parallel zur Faser wird auch Voigt Grenze genannt

Einzelschicht: Eine Werkstoffschicht, in der eine einheitliche Ausrichtung der Fasern vorliegt (Unidirektionale Einzelschicht, UD-Schicht)

vs.

Laminat: Mehrere Einzelschichten im Verbund mit jeweils unterschiedlichen Ausrichtungen der Fasern in den Einzelschichten. Schichten sind unterschiedlich dick, haben unterschiedliche Orientierungswinkel und können aus verschiedenen Fasermaterialien in verschiedenen Faseranordnungen bestehen.

Vakuumsackaufbau:

Vorteile:

• Geringe Fertigungstoleranzen

• Geringe Werkzeugkosten

• Exzellente mechanische Eigenschaften

• Darstellbarkeit komplexer Bauteilgeometrien

Nachteile:

• Lange Zykluszeiten

• Kostenintensive Werkstoffe (teure Prepregs mit begrenzter Lagerfähigkeit)

Verfahrensablauf:

• Infusion des Harzes in die Verstärkungsstruktur durch Vakuum

• festes Negativ-Werkzeug auf der einen Seite, Vakuumfolie auf der anderen Seite

• Verteilmedium mit geringem Fließwiderstand erforderlich

• Tränkung der Faserstruktur in Dickenrichtung

• hohe Laminatqualität, hoher Faservolumengehalt möglich

Vorteile:

• Relativ geringe Werkzeug- und Anlagenkosten

• Geeignet für Prototypenfertigung und Kleinserie, insbesondere für großflächige Bauteile

• Konstante, hohe Laminatqualität

Nachteile:

• Lange Zykluszeit (bis zu mehreren Stunden)

• Bisher hoher Verbrauchsmittelbedarf (Folien)

Verfahrensablauf:

Vorteile:

• Hoher Automatisierungsgrad erzielbar

• Kurze Zykluszeiten, daher insbesondere für Großserien geeignet

• Konstante, hohe Laminatqualität

Nachteil:

• Zweiteilige Werkzeuge und Schließmechanismus notwendig

Verfahrensablauf:

Vorteile:

• Relativ geringe Werkzeugkosten

• Keine Anlagentechnik notwendig

• Komplexe und großflächige Bauteilgeometrien erzielbar

Nachteil:

• Hoher manueller Aufwand notwendig