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Faserverbundwerkstoffe

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  • Branchenbroschüre: Composites PDF 7 MB

Übersicht Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe (Composites) bestehen aus zwei oder mehreren Materialien, die miteinander verbunden sind. Auf diese Weise werden sehr spezielle Werkstoffeigenschaften, wie Steifigkeit oder Festigkeit in bestimmten Richtungen bei gleichzeitiger Gewichtsersparnis erzielt, mit denen neue Anwendungsgebiete erschlossen werden. 

Composites finden in vielen Produkten neue Anwendungen. Flugzeuge, wie die A380 oder die A350 von Airbus, oder die Boeing 787 sind aktuelle Beispiele aus der zivilen Luftfahrt in denen ein hoher Anteil Kohlefaser-Verbundwerkstoffe verbaut wird. BMW hat mit den Fahrzeugen I3 und I8 komplette Fahrzeugchassis aus CFK-Werkstoffen im Einsatz, die so leicht sind, dass zwei Personen sie tragen können. Bei Rennfahrzeugen sind Faserverbundwerkstoffe schon seit langer Zeit ein Standard. In den Flügeln größerer Windräder werden verschiedene Arten von Composites verbaut. Unidirektionale Faserverbunde fangen die Fliehkräfte auf, die Außenflächen werden aus multidirektionalen Faserverbunden produziert und die Gesamtstruktur ist als Kernverbund konzipiert. Nicht zuletzt findenVerbundwerkstoffe auch in der Medizintechnik, z.B. als Prothesen und auch in der Bauindustrie als vielseitige Werkstoffe für Brücken und im Fassadenbau interessante Anwendungsfelder.

Bei Faserverbundwerkstoffen sind Fasern in eine Komponente des Verbundwerkstoffes, der so genannten Matrix eingebettet. Auf diese Weise entsteht ein Faser-Matrix-System. Die Fasern können in einer oder mehreren bestimmten Richtungen verlaufen und Vorzugsrichtungen haben.

Schichtverbundwerkstoffe bestehen aus aufeinanderliegenden Schichten unterschiedlicher Anzahl. Der Spezialfall von drei Schichten, davon zwei identische Außenschichten, wird auch als Sandwichverbund bezeichnet. 

Kernverbunde werden in Leichtbaukonstruktionen eingesetzt. Dabei kann der Kern, der den Raum zwischen den Deckplatten ausfüllt, z.B. aus einem geschäumten Kunststoff oder aus einer Wabenstruktur bestehen. Letzteres wird als Wabenverbund bezeichnet.

Definition Faserverbundwerkstoffe

In technischen Anwendungen kommen verschiedene Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz, z.B.

  • Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK)
  • Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK)
  • Aramidfaserverstärkte Kunststoffe (AFK)
  • Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK)

Die Faserverbundwerkstoffe bestehen aus der Faser, die als Filament oder Stapelfaser, z.B. als Roving vorliegt und einer Matrix, die für die notwendige Verbundhaftung sorgt.  

Das Eigenschaftsprofil wird, neben der Auswahl von Faser- und Matrixwerkstoff, wesentlich durch die Orientierung der Fasern im textilen Flächengebilde bestimmt. Für die Belange der Prüftechnik wird üblicherweise nach unidirektionalen und multidirektionalen Laminaten unterschieden. 

Die Werkstoffprüfung bildet in der Regel einzelne Beanspruchungsszenarien an genormten Probekörpern ab. Aufgrund der starken Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften werden die verschiedenen Beanspruchungsarten mit unterschiedlicher Probenentnahme, z.B. längs- und quer zur Hauptfaserrichtung durchgeführt.  

Neben der internationalen Normung (ISO) sind diese Prüfungen in verschiedenen nationalen oder regionalen Normen (ASTM, EN, DIN), wie auch in firmeneigenen Regelwerken (Airbus AITM, Boeing BSS) beschrieben. Dadurch ergibt sich ein Umfeld von mehr als 170 Normen, das rund 20 generische Prüfmethoden beschreibt.

Die Prüfung an Bauteilen, Strukturausschnitten und kompletten Strukturen ist in der Regel nahe an den Beanspruchungen ausgerichtet, die im späteren Betrieb auftreten. Festigkeiten, Energieaufnahme (Crash), Materialermüdung und Lebensdauerabschätzungen stehen dabei im Vordergrund.

Aufgrund der Richtungs- und Scherempfindlichkeit der Faserverbunde müssen Prüfkräfte exakt in der vorgesehenen Richtung eingebracht werden. Der Axialitätsfehler wird mit Schiefzug bezeichnet und unterliegt engen Grenzen. Zur Messung des Schiefzugs setzt ZwickRoell spezielle Messeinrichtungen ein, die sich an Form und Dimension der Probekörper orientieren. Die Ausrichtung der Zugachsen der Prüfmaschine erfolgt über mechanische Justageeinrichtungen (Alignment Fixtures).

Modulares Prüfsystem für Faserverbundwerkstoffe

Größere Prüflabore mit entsprechend hohem Prüfaufkommen setzen für die einzelnen Prüfmethoden mehrere verschieden große Prüfmaschinen ein und können so den Umbauaufwand minimieren. Die genormten Prüfverfahren lassen sich dabei grob in folgende Kraftbereiche einteilen: 

  • Kräfte bis 1 kN: Biegeversuche, Energiefreisetzungsraten, Zugversuche an Einzelfilamenten
  • Kräfte bis 10 kN: Scherversuche, z.B. IPS, ILSS und V-Kerb, Zugversuche an Filamentsträngen, UD 90° Zugversuche, Zugversuche in Dickenrichtung
  • Kräfte bis 100 kN UD 0° Zugversuche, Zugversuche MD bei kleineren Laminatdicken, Druckversuche nach ISO, ASTM und EN Normen, Kerbdruckversuche, Lochleibungsversuche
  • Kräfte über 100 kN Zug- und Druckversuche nach Airbus Normen bei entsprechender Laminatstärke, Compression After Impact

Wenn das Prüfaufkommen aber nicht so hoch oder so regelmäßig ist, dass sich die Investition in mehrere Prüfmaschinen lohnt, dann ist es vorteilhaft, eine einzige Prüfmaschine so auszustatten, dass möglichst viele Prüfverfahren mit dem geringstmöglichen Umbauaufwand durchgeführt werden können.

Zu diesem Zweck hat ZwickRoell modulare Prüfmaschinenkonzepte für elektromechanische und servohydraulische Prüfmaschinen in verschiedenen Nenngrößen entwickelt. Der Vorteil dieser modularen Systeme liegt auf der Hand: Alle Werkzeuge, Extensometer, Software und eventuell Schutzscheiben und die Temperierkammer sind Teil der Modularität und aufeinander abgestimmt. Weiterhin gewinnt dieses System bei der Zukunftssicherheit, da alle Komponenten auch nachgerüstet werden können.

Anwendungsbeispiele für die Prüfung an Composites

Zugversuche

an Einzelfilamenten, Filamentsträngen, unidirektionalen und multidirektionalen Laminaten, Kerbzugversuch und Zugversuch an gebolzten Laminaten.
zu Zugversuche

Druckversuch und Kerbdruckversuch (OHC, FHC)

an Faserverbundwerkstoffen aus unterschiedlichen Faser- Matrix Systemen.
zu Druckversuch und Kerbdruckversuch (OHC, FHC)

Compression After Impact CAI

dient der Charakterisierung einer Schädigung, die z.B. bei Flugzeugen oder Fahrzeugen durch Steinschlag, Vogelschlag oder durch Unfälle auftreten kann.
zu Compression After Impact CAI

Biegeversuche

Anhand von Biegeversuchen (3-Punkt und 4-Punkt-Biegeversuch) kann eine einfache Charakterisierung wichtiger mechanischer Eigenschaften erzielt werden.
zu Biegeversuche

Schiefzugausrichtung

Die Prüfung von Faserverbundwerkstoffen erfordert eine sehr genaue Ausrichtung der Prüfachse.
zu Schiefzugausrichtung

Interlaminare Scherfestigkeit ILSS

Die interlaminare Scherfestigkeit wird üblicherweise im Kurzbiegeversuch ermittelt.
zu Interlaminare Scherfestigkeit ILSS

Scherung durch Überlappung

Scherversuche eignen sich für Vergleiche an Klebungen von Laminaten.
zu Scherung durch Überlappung

Scherung in Lagenebene IPS

kann im Zug- oder Druckversuch unter ± 45° zur Faserrichtung erzeugt und gemessen werden.
zu Scherung in Lagenebene IPS

V-Kerb Scherversuch / V-notch shear test

werden zur Charakterisierung von Schereigenschaften in Lagenebene eingesetzt.
zu V-Kerb Scherversuch / V-notch shear test

Energiefreisetzungsraten G

Energiefreisetzungsraten gehören zu den bruchmechanischen Kennwerten und werden üblicherweise in Mode I und Mode II bestimmt.
zu Energiefreisetzungsraten G

Dynamisch zyklische Prüfverfahren

werden zur Beurteilung der Lebensdauer von Probekörpern, Strukturelementen und Bauteilen eingesetzt.
zu Dynamisch zyklische Prüfverfahren

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