Faserverbundwerkstoffe Einführung · Faserverbund-Kunststoffe angesehen werden, sondern auch...

Faserverbundwerkstoffe Einführung Seite1

FaserverbundwerkstoffeEinführung

Giotto

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KunststoffeEine Übersicht

Jahrtausendelang waren natürliche Werkstoffe Grundlagemenschlicher Existenz. Kleidung, Werkzeuge und Gebrauchs-gegenstände wurden aus Leder, Metall, Stein, Ton und anderenNaturstoffen hergestellt.Werkstoffe wie Porzellan, Glas und Metall-Legierungen wurdenmeist mehr oder weniger zufällig entdeckt.

Die Verknappung und Verteuerung wichtiger Rohstoffe löste zuBeginn des 20. Jahrhunderts eine intensive Suche nach synthe-tischen (künstlich hergestellten) Ersatzwerkstoffen aus. Grund-legend veränderte technische Anforderungen der schnell wach-senden Industrie konnten mit Naturstoffen allein nicht mehr erfülltwerden.Aus natürlichen Rohstoffen wie Kohle, Steinkohlenteer, Erdölund Erdgas wurden im Laufe der Zeit unzählige Verbindungen,darunter zahlreiche Kunststoffe, synthetisiert.

1)Das Ziel, verschiedenartige Materialien zu einem Werkstoff-verbund zu kombinieren, um verbesserte Eigenschaften undSynergieeffekte zu erzielen, ist in der Natur Gang und Gebe. DerSchnitt durch eine Paracortex-Zelle von Merinowolle und derQuerschliff eines unidirektionalen kohlenstoffaserverstärktenEpoxydharzes (Cf-EP) zeigen ähnliche Strukturen wie der Quer-schnitt von Cf-EP und der Längsschnitt eines Bambusstabes.Nicht nur bei der Mikrostruktur kann die Natur als Vorläufer fürFaserverbund-Kunststoffe angesehen werden, sondern auch

Duroplaste

...härtbare Kunststoffe, die nicht er-neut plastisch geformt werden kön-nen.

Duroplaste sind unlöslich, unschmelz-bar und nicht schweißbar. Bei hohenTemperaturen verkohlen sie.

Epoxydharze

Polyesterharze

Polyurethanharze

Vinylesterharze

...und andere

ABS

Polystyrol

PVC

Polyethylen

...und andere

Thermoplaste

...werden in der Wärme plastisch undlassen sich wiederholt verformen.Reste sind durch Einschmelzen wie-derverwendbar. Viele Thermoplastesind in organischen Lösemitteln lös-lich. Verbindung untereinander durchSchweißen bzw. "kaltes Schweißen"mit Lösemitteln.

Silikonkautschuk

Gummi

...und andere.

Elastomere

...gummiartig elastische Werkstoffe.Unter Spannung dehnt sich der Werk-stoff. Nach Wegnahme der Kraft bildetsich die Verformung fast vollständigzurück. Elastomere sind hitzefest biszum Verkohlen und durch Wärme nichtschweißbar - Verbindung untereinan-der durch Vulkanisieren.

bei der Anwendung von Prinzipien des Leichtbaus.

Werkstofftechnische Gründe für die Verwendung von Fasern alsWerkstoffelemente ergeben sich aus den vier Paradoxen derWerkstoffe:

1. Paradoxon des festen WerkstoffesDie wirkliche Festigkeit eines festen Stoffes ist sehr viel niedrigerals die theoretisch berechnete (F. Zwicky).

2. Paradoxon der FaserformEin Werkstoff in Faserform hat eine vielfach größere Festigkeitals das gleiche Material in anderer Form und je dünner die Faser,umso größer ist die Festigkeit (A. A. Griffith).

3. Paradoxon der EinspannlängeJe kleiner die Einspannlänge, umso größer ist die gemesseneFestigkeit einer Probe/Faser.

4. Paradoxon der VerbundwerkstoffeEin Verbundwerkstoff kann als Ganzes Spannungen aufneh-men, die die schwächere Komponente zerbrechen würde, wäh-rend von der stärkeren Komponente im Verbund ein höhererAnteil seiner theoretischen Festigkeit übernommen werden kann,als wenn sie alleine belastet würde (G. Slayter).

(nach Ehrenstein: Faserverbundkunststoffe, Hanser-Verlag)

Strukturmodell ThermoplasteDie Molekülketten sind sehr lang und orien-tierungslos angeordnet.

Strukturmodell für DuroplasteDie Moleküle bilden ein dreidimensionalesNetzwerk, sind also in alle Richtungen festmiteinander verbunden.

Strukturmodell ElastomereLange Molekülketten, die stark verknäueltsind und sich unter Spannung dehnen.

(nach Gnauck/Fründt: Einstieg ind die Kunststoffchemie, Hanser-Verlag)

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Kleine Kunststoffgeschichte

FVWFaserverbundwerkstoffbesteht aus (Harz)-Matrix und Verstärkungsfasern

GFKGlasfaserverstärkter Kunststoff

CFKCarbonfaserverstärkter Kunststoff (Kohlefaserkunststoff)

SFKSynthesefaserverstärkter Kunststoff (Aramid)

MatrixEinbettungsmaterial für Verstärkungsfasern (meist Duroplaste,z.B. Epoxydharz). Funktion der Matrix:- formt das Bauteil- leitet und überträgt auftretende Kräfte auf die Fasern- schützt die Fasern

Laminat(von lat. lamina = die Schicht)Ein Laminat ist ein flächiges Produkt, das aus einem Verbundvon Harz und Faser besteht, unabhängig von seiner Form unddem Fertigungszustand (feuchtes Laminat, ausgehärtetes Lami-nat).

unidirektionalBedeuted "nur in eine Richtung". Die Verstärkungsfasern verlau-fen nur in eine Richtung.

bidirektionalHier verlaufen die Fasern in zwei Richtungen, meist im Winkelvon 0°/90°.

1907 Patent zur Herstellung von Phenolharzen ("Bakelit") anL. H. Baekland

1916 Patent über die Herstellung eines vollständig aus faser-verstärkten Kunststoffen bestehenden Flugzeugs an R. Kemp

1935 Beginn der großtechnischen Herstellung von Glasfasernbei der Owens-Corning Fiberglas Corporation (USA)

1938 Patent zur Herstellung von Epoxydharzen (P. Castan)

1942 Erste Bauteile aus ungesättigtem Polyesterharz (UP)/Glasfaser für Flugzeuge, Boote und Autos

1943 Erste Sandwichbauteile für Flugzeuge aus Polyesterharz/Glasfasern und Balsaholz als Stützstoff

1944 Entwicklung und erfolgreiche Flugerprobung eines Flug-zeugrumpfes, der in einer GFK/Sandwichbauweise hergestelltwurde

1945 Produktion von Wabenkernen (Honeycombs), eines leich-ten und druckfesten Kernmaterials für Sandwichkonstruktionen(L.S. Meyer)

FachterminiHäufig verwendete Begriffe und Abkürzungen

1945 Entwicklung des Faserwickelverfahrens (G. Lubin und W.Greenberg)

1951 Erstes Pultrusionspatent (Strangziehverfahren zur Her-stellung von Profilen)Patentierung von Allylsilan-Glasschlichten, den Vorläufern derheutigen Silan-Haftvermittler (R. Steinmann)

1953 Produktionsbeginn von GF-UP (Glasfaser/Polyesterharz)-Außenteilen im Automobilbau (Chevrolet Corvette)Entwicklung der ersten GFK-Segelflugzeuge in Deutschland

1959 Produktionsbeginn von Kohlenstoffasern bei der Union-Carbide (USA)

1967 Flugerprobung des ersten, fast vollständig aus GFK her-gestellten Flugzeuges (Windecker Research Inc.)

1971 Produktionsbeginn von Aramidfasern (DuPont ) unterdem Markennamen "Kevlar"

(nach Ehrenstein: Faserverbundkunststoffe, Hanser-Verlag)

multidirektionalFaserverlauf in min. 3 Richtungen, meist 0°/90° und ± 45°

AnisotropieUnterschiedliche Werkstoffeigenschaften in verschiedene Rich-tungen, bei FVW abhängig vom Faserverlauf (in Faserrichtunghohe Festigkeiten, quer dazu geringe).Isotrope Werkstoffe sind z.B. Metalle mit gleichen Eigenschaftenin jede Richtung.

Weitere Fachtermini sind im Anhang am Ende des Handbucheserklärt.

Nicht nur in der Technik, auch bei Gebrauchs- und Luxusgüternhaben Faserverbundwerkstoffe Eingang gefunden:Armbanduhr mit Kohlefaser-Ziffernblatt und -Armband.


Im Leichtbau wirdzusätzlich geringes Werk-

stoffgewicht gefordert

Günstige Werkstoffkennwerte und werkstoffgerechte Konstruktion ermöglichen:

Steifigkeit:E-Modul

Festigkeit:Zugfestigkeit

Weitere Werkstoffvorteile

• geringe Wärmeausdehnung• Korrosionsbeständigkeit• stufenweises Versagen• hohe Schwingfestigkeit• günstiges Schlagverhalten

Hohe Steifigkeit

BFK

CFK

GFK

GFK

Sta

hl

Alu

Tita

n

Gewicht/VolumenGewichtsbezogeneSteifigkeit

BFK

CFK

AFK

GFK

Sta

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Alu

Tita

n

BFK

CFK

AFK

GFK

Sta

hl

Alu

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KostengünstigeBauweisen

• weniger Einzelteile• geringer Materialabfall• gute Formbarkeit

BFK

CFK

AFK

GFK

Sta

hl

Alu

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BFK

CFK

AFK

GFK

Sta

hl

Alu

Tita

n

AusreichendeFestigkeit

Ungenügende Festigkeit

AusreichendeFestigkeit

Faserverbundwerkstoffehaben:

Hohe Steifigkeit

Niedrige SteifigkeitMittlere Steifigkeit

RepräsentativeWerkstoffgrößen

GewichtsbezogeneFestigkeit

Leichtbauweisen

Warum Faserverbund-werkstoffe?

(nach DLR Stuttgart)


MultidirektionalesLaminat

Ausgangsmaterial

Bettungsmasse(Matrix))Faser Laminat (Einbetten)

Laminateinzelschicht

Typische BettungsmassenPolyesterharzEpoxydharzVinylesterharzThermoplast

Typische Verstärkungsfasern

Glasfaser (GFK)Kohlenstoffaser (CFK)Aramidfaser (SFK)

UnidirektionalesLaminat

Hochbelastbarin Faserrichtung

Aufbau zur gewünschtenGesamtdicke

Belastbar in mehrerenRichtungen

Aufbau zur gewünschtenGesamtdicke

Schichten

Pressen, Aushärten

Faserverbundwerkstoff

Was sind Faser-verbundwerkstoffe?



Fasern in Richtung derangreifenden Lasten

Möglichst symmetrischerLagenaufbau

Großflächige Krafteinleitungen

Regeln für die Bauteilgestaltung

Richtungsabhängige Eigenschaften

Werkstoffendzustand wird erstim Bauteil erreicht

Vielfältige Gestaltungsmöglichkeitendurch Variation von:

- Faser- und Matrixwerkstoff- Faserrichtung- Lagenanzahl

Faserverbundwerkstoffe sind anders als Metalle

Konstruieren mitFaserverbundwerkstoffen



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Kennwertevon Duroplasten

VerarbeitungsschwindungDer Schwund erfolgt bei Epoxydharzen in der flüssigen Phase, also hauptsächlich innerhalb der Verarbeitungszeit. Sobald die Harz-masse fest wird, tritt praktisch kein weiterer Schwund auf.

Die Nachschwindung ist bei unverstärkten Harzmassen am größten. Verstärkungen, z.B. durch Glasgewebeeinlagen, verringerndas Schwundmaß erheblich. Beim Tempern (Nachhärten bei erhöhter Temperatur) ist ebenfalls eine leichte Nachschwindung zuerwarten, da sich noch reaktionsfähige Harz- und Härtermoleküle verbinden und somit enger zusammentreten.

Die Bruchdehnung von Laminierharzen sollte vorzugsweise gleich oder größer der Bruchdehnung der Verstärkungsfasern sein,damit im Belastungsfall kein Bauteilversagen durch Brüche und Risse im Harz eintritt.

VerarbeitungstemperaturDer höchste Wert beschreibt die maximal erforderliche Temperatur bei der Warmhärtung. Diese Warmhärtung ist nur bei einigenTemperharzen mit entsprechend hoher Temperaturbelastbarkeit erforderlich.Die überwiegend angebotenen kalthärtenden Harze erreichen bei Raumtemperatur nahezu ihre volle Festigkeit. Die Gebrauchstem-peratur der Bauteile liegt meist bei 50-80 °C.

6 - 8

< 1

Benzin, Benzol,


ffotskreW tiekgitsefguZaPM

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07-05 7,4-5,3 021-06 0,5-0,4

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09-07 6,3-8,2 061-041 0,6-5,4

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58-57 5,3-4,3 531-521 8,3-2,3

Faserverbundwerkstoffe

Verschiedenartige Materialien zu einem Werkstoffverbund zukombinieren, um verbesserte Eigenschaften zu erzielen, ist inder Natur ein ebenso selbstverständliches Prinzip, wie derLeichtbau.Diese, der Natur abgeschaute Bauweise hat viele technischeBereiche geradezu revolutioniert. Erstmals stehen hochfesteund dabei leichte Werkstoffe mit überragenden Eigenschaftenzur Verfügung.Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt werden durch niedrigeStrukturgewichte wesentliche Energieeinsparungen und Lei-stungssteigerungen erzielt.Der Einsatz von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen in derRaumfahrt ist vor allem wirtschaftlich begründet. Wegen der ho-hen Energiekosten ist man bereit, in diesem Bereich bis zu Euro25.000 pro kg Gewichtsersparnis aufzuwenden. Bei der Luftfahrt-industrie sind dieses 250 - 750 Euro/kg, in der Fahrzeugindustrie0 - 2,50 Euro/kg (ausgenommen im Rennsport).Da FVW im allgemeinen teurer sind als Kompaktwerkstoffe (z.B.Metalle) und höhere Anforderungen an die Auslegung und dieVerarbeitungstechnologie gestellt werden, ist dieser Anreiz fürden normalen Fahrzeugbau relativ gering, während er in der Luft-und Raumfahrt deutlich zum Tragen kommt.

Mit sinkendem Preis und zunehmendem, allgemein zugänglichemKnow-How für die Verarbeitung haben sich FVW auf breiter Ebe-ne durchgesetzt. Kaum noch wegzudenken sind sie im Motorsport,Modell- und Sportgerätebau.Anwendungen im Maschinenbau sind im Vormarsch.

Das FunktionsprinzipEin Faserverbundwerkstoff (FVW) wird durch Zusammenfügenmehrerer Werkstoffe hergestellt:

1.) der formgebenden Matrix (z.B. Epoxyd- oder Polyesterharz)2.) den verstärkenden, hochfesten Fasern (meist Glas-, Aramid-und Kohlenstoff)

➞

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Herstellen eines Handlaminatsmittels Schaumstoffwalze

FVW sind im Prinzip vergleichbar mit Stahlbeton, bei dem einspröder, formgebender Werkstoff (Beton) durch Stahleinlagenverstärkt wird.

Die Fasern werden in eine flüssige Reaktionsharzmasse ein-gebettet und beim Härten des Harzes in dem so entstehendenfesten Formstoff verankert. Auch kompliziert gestaltete und sehrgroße Teile können in einem Arbeitsgang mit verhältnismäßiggeringem Aufwand hergestellt werden.

Die Wahl des Verarbeitungsverfahrens richtet sich nach derStückzahl und der Größe der herzustellenden Teile sowie nachden Anforderungen in bezug auf mechanische Festigkeit undsonstige Eigenschaften, wie z.B. Transparenz, Beschaffenheitder Oberfläche, Maßhaltigkeit usw.

Generell gilt: Der Faserverbundwerkstoff entsteht erst durchdas Zusammenfügen von Harz und Fasern, d.h.

der Verarbeiter stellt ihn selbst her.

Für die Eigenschaften des Endprodukts sind daher einsorgfältiges Verarbeiten und Aushärten neben der Bau-teilauslegung (Faserorientierung, Faseranteil, Lagenzahlund Gewebe) zwangsläufig von entscheidender Bedeutung.

FestigkeitDie Festigkeit eines FVW wird wesentlich durch die Verstärkungs-faser bestimmt.

Prinzip 1: Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach größereFestigkeit als das gleiche Material in anderer Form. Zudem gilt:je dünner die Faser, umso größer ist die Festigkeit. (A.A. Griffith)

Prinzip 2: Ein Verbundwerkstoff kann als Ganzes Spannungenaufnehmen, die die schwächere Komponente zerbrechen würden,während von der stärkeren Komponente im Verbund ein höhererAnteil seiner theoretischen Festigkeit übernommen werden kann,als wenn sie alleine belastet würde. (G. Slayter)

Bei der Betrachtung der Festigkeiten unterscheidet man zwischenstatischer und dynamischer Festigkeit.

Die statische Festigkeit bezieht sich auf einfache Belastungsfälle(Zug, Druck, Biegung etc.) während die dynamische Festigkeitdas Verhalten bei häufig wechselnder Belastung (Biegewechselmit wechselnder Kraft und Frequenz, entsprechend kombiniertauftretende Zug-, Druck- und Schubkräfte) bestimmt.Vor allem dort, wo häufige Biegewechsel auftreten, ist eine gutedynamische Festigkeit erforderlich (z.B. Holmkonstruktionen imFlugzeugbau).Epoxydharze zeigen selbst bei mehreren zehntausend Last-wechseln den geringsten Festigkeitsabfall und damit die größtedynamische Festigkeit.


Matrix (Harz-Einbettung)Das Reaktionsharz als Bindemittel (Matrix) hat die Aufgabe, dieFasern zu stützen und die auf das Formteil einwirkenden Kräfteauf sie zu verteilen. Dies macht eine gute Haftung des Harzes aufden Fasern notwendig.Das Reaktionsharz bestimmt im wesentlichen folgende Eigen-schaften: Chemikalienfestigkeit, Alterungsbeständigkeit, Kratz-festigkeit, elektrische Eigenschaften sowie den Schwund beimHärten.Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Wärmedehnung und spezifischeWärme hängen ab vom Mengenverhältnis der Komponenten Re-aktionsharz, Reaktionsmittel, Fasern und Füllstoffe.

FasernDie mechanischen Eigenschaften der Formstoffe, z.B. Zug-,Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit sowie die Fähigkeit zur Ar-beitsaufnahme, sind hauptsächlich durch die Eigenschaften derFasern bedingt. Sie können durch Wahl der Fasererzeugnisse,den Fasergehalt und die Orientierung der Fasern beeinflußt wer-den.

HärtenDie Eigenschaften des gehärteten Reaktionsharzformstoffesund damit des Formteiles hängen nicht nur vom Ausgangsmaterialab, sondern auch in hohem Maße von der Führung des Härtungs-prozesses. Kenntnisse über die Vorgänge beim Härten des Re-aktionsharzes sind daher für den Verarbeiter unerläßlich.Beim Härten, d.h. beim Übergang der flüssigen Reaktionsharz-massen in dreidimensional vernetzte Produkte, wird zwischendrei Reaktionsarten unterschieden:

Polymerisation(z.B. ungesättigte Polyesterharze)Unter dem Einfluß von Reaktionsmitteln, z.B. Peroxiden undBeschleunigern, reagieren die Doppelbindungen der Ausgangs-komponenten unter Freiwerden von Reaktionswärme mitein-ander; es entstehen durch Vernetzen der Moleküle der Ausgangs-komponenten hochmolekulare Substanzen.Liegen mehrere Ausgangskomponenten vor, wie z.B. ungesättigtePolyester und Styrol bei UP-Harzen, so spricht man von Misch-polymerisation.Die Polymerisationsreaktion benötigt nach dem Zugeben derReaktionsmittel eine gewisse Anlaufzeit. Anschließend geht dieReaktionsharzmasse ohne Freiwerden flüchtiger Produkteverhältnismäßig schnell unter Erwärmung und raschem Ansteigender Viskosität in den festen Zustand über. Der einmal eingeleiteteHärtungsvorgang kann nicht mehr unterbrochen werden und istirreversibel.

Polyaddition(z.B. Epoxyd-Harze)Im Gegensatz zur Polymerisationsreaktion werden hier demReaktionsharz wesentlich größere Mengen an Reaktionsmittelnzugegeben, und zwar in stöchiometrischen Mengen.Die Eigenschaften des Endproduktes hängen daher sowohl vomeingesetzten Reaktionsharz als auch vom Reaktionsmittel ab.Der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand vollzieht sichbei der Polyaddition im allgemeinen langsamer und gleichmäßigerals bei der Polymerisation. Bei der Reaktion wird Wärme frei.

Polykondensation(z.B. Phenolformaldehyd-Harze)Im Gegensatz zur Polymerisation und Polyaddition reagierenhier die Ausgangskomponenten unter Abspalten von Neben-produkten, z.B. Wasser.Die Reaktion kann stufenweise durchgeführt werden. Im allge-meinen werden vorkondensierte Harze verarbeitet, zu derenHärtung meist nur noch Wärme notwendig ist.

BruchdehnungBei einer Zugbeanspruchung darf das Harz nicht vor der Faserbrechen, da es sonst durch Risse zu einem Versagen desgesamten Bauteils kommt. Die Bruchdehnung der Harze solltedaher vorzugsweise größer sein, als die der üblichen Verstär-kungsfasern.

Harz/Faser-HaftungDie Güte eines Verbundwerkstoffes hängt vor allem auch von derHaftung des Harzes auf den Verstärkungsfasern ab. Je besserdiese Haftung, umso höher ist die Festigkeit.Um dies zu erreichen, werden Glasgewebe mit Haftvermittlern(Silanen, verschiedenen Finishs) behandelt, damit eine möglichstfeste (chemische) Verbindung mit dem Harz entsteht.Eine Ausnahme bilden Aramidfasern (Kevlar®, Twaron®) undPolyethylengarne (Dyneema), für die kein chemischer Haftvermit-tler verfügbar ist.Kohlenstoffasern werden mit einer Epoxydharzschlichte verse-hen.

(Nach VDI-Richtlinie 2010 und Ehrenstein, Faserverbundkunststoffe, Hanser-Verlag)

HandlaminatTränken eines Kohle/Aramid-Gewebes mitEpoxydharz für einen Segelflugzeugrumpf.

HandlaminatVerkleben von Tragflächenrippen auf einenHolm aus GFK (Flugzeugbau-Workshop derAero-Luftfahrtmesse, Friedrichshafen)


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