Konstruieren mit Faserverbundwerkstoffen – 2

Summary

In diesem zweiteiligen Lehrfilm geht es um die Besonderheiten bei der Konstruktion mit Faserverbundwerkstoffen, insbesondere beim Umgang mit Negativformen für das Handlaminierverfahren. Es werden wichtige Designüberlegungen wie das Vermeiden von Hinterschnitten, die Nutzung von teilbaren Formen und die Wahl von Materialien für eine präzise Formgebung erläutert. Zudem wird auf die Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen eingegangen, wie der Einfluss des Faserdurchmessers auf die Festigkeit und die Vorteile des Mehrschichtaufbaus. Abschließend wird erklärt, wie gezielte Eigenspannungen das Ermüdungsverhalten und die Schwingfestigkeit der Bauteile verbessern können.

Takeaways

• 😀 Beim Handlaminieren ist es wichtig, Hintersteigungen in der Bauteilgeometrie zu vermeiden, um das Bauteil problemlos aus der Negativform zu entnehmen.
• 😀 Wenn Hintersteigungen unvermeidlich sind, sollte die Negativform teilbar gestaltet werden, um eine hohe Anzahl an Abformungen und eine präzise Bauteilgeometrie zu erreichen.
• 😀 Stahl- oder Aluminiumformen sind ideal für teilbare Formen, bieten jedoch einen höheren Kostenaufwand und lohnen sich vor allem für Serienproduktionen.
• 😀 Bei der Nutzung von teilbaren Formen aus Stahl oder Aluminium ist es ratsam, neben einer Verschraubung auch eine Verpflichtung zur Vermeidung von Formverzerrungen zu verwenden.
• 😀 Für dickwandige Bauteile müssen Entformungsschrägen vorgesehen werden, um die Druckkräfte beim Aushärten von GFK zu kompensieren und das Bauteil zu entnehmen.
• 😀 Die Faser im Faserverbundwerkstoff hat einen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit des Werkstoffs, wobei dünnere, parallele Fasern eine höhere Festigkeit bieten als dicke Fasern.
• 😀 Ein mehrschichtiger Verbund aus dünnen, parallelen Fasern erzielt ähnliche Festigkeiten wie massives Material und ist besser geeignet, um Materialschäden zu minimieren.
• 😀 Unidirektionale Schichten werden verwendet, wenn die Kräfte in nur eine Richtung wirken, während multidirektionale Schichten für Anwendungen mit Kräften aus mehreren Richtungen verwendet werden.
• 😀 Das gezielte Einbringen von Druckeigenspannungen in den Fasern kann die Schwingfestigkeit und das Ermüdungsverhalten von Faserverbundwerkstoffen verbessern.
• 😀 Das Einbringen von Eigenspannungen kann durch verschiedene Verfahren erfolgen, doch diese sind noch nicht in Serienreife, weshalb ihre Anwendung sorgfältig abgewogen werden muss.

Q & A

Warum sollten Hintersteigungen in der Bauteil-Geometrie vermieden werden?

Hintersteigungen verhindern das Entfernen des Bauteils aus einer Negativform, da bei tiefen Hintersteigungen und besonders dickwandigen Bauteilen die Biegeverformung nicht ausreicht, um das Bauteil aus der Form zu schälen.

Was passiert, wenn es aufgrund der Anwendung nicht möglich ist, Hintersteigungen zu vermeiden?

In solchen Fällen muss die Negativform teilbar gestaltet werden, um eine hohe Anzahl an Abformungen und eine sehr genaue Bauteilgeometrie zu gewährleisten.

Welche Materialien eignen sich für die Herstellung von teilbaren Formen?

Für teilbare Formen eignen sich Materialien wie Stahl oder Aluminium, da sie eine präzise Formgebung ermöglichen. Jedoch sind diese Materialien kostenintensiv und lohnen sich vor allem für Serienproduktionen.

Warum sind Entformungsschrägen notwendig bei der Herstellung von GFK-Bauteilen?

Entformungsschrägen sind notwendig, da während des Aushärtens von GFK eine Ausdehnung des Materials erfolgt, wodurch Druckkräfte entstehen, die das Bauteil an der Form haften lassen. Diese Schräge verhindert ein Blockieren des Bauteils beim Entformen.

Wie groß sollten Entformungsschrägen bei kleinen bis mittelgroßen Bauteilen in der Regel sein?

Entformungsschrägen sollten bei kleinen bis mittelgroßen Bauteilen üblicherweise zwischen 2 Grad und 6 Grad liegen.

Was ist das 'Faserparadoxon' im Zusammenhang mit Faserverbundwerkstoffen?

Das 'Faserparadoxon' besagt, dass mit steigendem Faserdurchmesser die Festigkeit des Werkstoffs abnimmt, da größere Fasern eine höhere Wahrscheinlichkeit für Materialdefekte aufweisen.

Warum ist es vorteilhaft, Faserverbundwerkstoffe mit vielen dünnen Fasern anstelle weniger dicker Fasern zu verwenden?

Durch die Verwendung von vielen dünnen Fasern statt wenigen dickeren Fasern wird die statistische Wahrscheinlichkeit für Materialdefekte verringert, was die Festigkeit des Werkstoffs erhöht.

Was ist ein Mehrschichtverbund bei Faserverbundwerkstoffen?

Ein Mehrschichtverbund ist der Aufbau aus mehreren übereinanderliegenden Einzelschichten von Fasermaterial, um die Festigkeit des Bauteils zu maximieren, ohne auf dicke Fasern angewiesen zu sein.

Wann sind unidirektionale Schichten vorteilhaft?

Unidirektionale Schichten sind vorteilhaft, wenn die auftretenden Kräfte nur in eine Richtung wirken, da sie die Belastung in dieser Richtung optimieren.

Was ist der Vorteil der Verwendung von multidirektionalen Schichten?

Multidirektionale Schichten bieten sich an, wenn die auftretenden Kräfte in mehreren Richtungen wirken, da sie die Festigkeit des Bauteils in allen Richtungen gleichmäßig verteilen.

Wie können Eigenspannungen in Faserverbundwerkstoffen die Schwingfestigkeit verbessern?

Durch das gezielte Einbringen von Druckeigenspannungen in den Fasern-Matrix-Verbund kann die Schwingfestigkeit des Werkstoffs erhöht und somit das Ermüdungsverhalten verbessert werden.

Wann sollte die Einbringung von Eigenspannungen in Faserverbundwerkstoffe in Betracht gezogen werden?

Die Einbringung von Eigenspannungen sollte nur dann in Betracht gezogen werden, wenn der Vorteil der verbesserten Schwingfestigkeit die höheren Kosten im Vergleich zu einer Wandstärkenvergrößerung und dem damit verbundenen Gewichtsnachteil rechtfertigt.