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Faserverbundwerkstoffe

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  • Branchenbrosch├╝re: Composites PDF 7 MB

├ťbersicht 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 k├Ânnen. Bei Rennfahrzeugen sind Faserverbundwerkstoffe schon seit langer Zeit ein Standard. In den Fl├╝geln gr├Â├čerer Windr├Ąder werden verschiedene Arten von Composites verbaut. Unidirektionale Faserverbunde fangen die Fliehkr├Ąfte auf, die Au├čenfl├Ąchen 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 f├╝r Br├╝cken 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 k├Ânnen 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 Au├čenschichten, wird auch als Sandwichverbund bezeichnet. 

Kernverbunde werden in Leichtbaukonstruktionen eingesetzt. Dabei kann der Kern, der den Raum zwischen den Deckplatten ausf├╝llt, z.B. aus einem gesch├Ąumten Kunststoff oder aus einer Wabenstruktur bestehen. Letzteres wird als Wabenverbund bezeichnet.

Definition Faserverbundwerkstoffe

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

  • Glasfaserverst├Ąrkte Kunststoffe (GFK)
  • Kohlefaserverst├Ąrkte Kunststoffe (CFK)
  • Aramidfaserverst├Ąrkte Kunststoffe (AFK)
  • Naturfaserverst├Ąrkte Kunststoffe (NFK)

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

Das Eigenschaftsprofil wird, neben der Auswahl von Faser- und Matrixwerkstoff, wesentlich durch die Orientierung der Fasern im textilen Fl├Ąchengebilde bestimmt. F├╝r die Belange der Pr├╝ftechnik wird ├╝blicherweise nach unidirektionalen und multidirektionalen Laminaten unterschieden. 

Die Werkstoffpr├╝fung bildet in der Regel einzelne Beanspruchungsszenarien an genormten Probek├Ârpern ab. Aufgrund der starken Richtungsabh├Ąngigkeit der Eigenschaften werden die verschiedenen Beanspruchungsarten mit unterschiedlicher Probenentnahme, z.B. l├Ąngs- und quer zur Hauptfaserrichtung durchgef├╝hrt.  

Neben der internationalen Normung (ISO) sind diese Pr├╝fungen 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 Pr├╝fmethoden beschreibt.

Die Pr├╝fung an Bauteilen, Strukturausschnitten und kompletten Strukturen ist in der Regel nahe an den Beanspruchungen ausgerichtet, die im sp├Ąteren Betrieb auftreten. Festigkeiten, Energieaufnahme (Crash), Materialerm├╝dung und Lebensdauerabsch├Ątzungen stehen dabei im Vordergrund.

Aufgrund der Richtungs- und Scherempfindlichkeit der Faserverbunde m├╝ssen Pr├╝fkr├Ąfte exakt in der vorgesehenen Richtung eingebracht werden. Der Axialit├Ątsfehler wird mit Schiefzug bezeichnet und unterliegt engen Grenzen. Zur Messung des Schiefzugs setzt ZwickRoell spezielle Messeinrichtungen ein, die sich an Form und Dimension der Probek├Ârper orientieren. Die Ausrichtung der Zugachsen der Pr├╝fmaschine erfolgt ├╝ber mechanische Justageeinrichtungen (Alignment Fixtures).

Modulares Pr├╝fsystem f├╝r Faserverbundwerkstoffe

Gr├Â├čere Pr├╝flabore mit entsprechend hohem Pr├╝faufkommen setzen f├╝r die einzelnen Pr├╝fmethoden mehrere verschieden gro├če Pr├╝fmaschinen ein und k├Ânnen so den Umbauaufwand minimieren. Die genormten Pr├╝fverfahren lassen sich dabei grob in folgende Kraftbereiche einteilen: 

  • Kr├Ąfte bis 1 kN: Biegeversuche, Energiefreisetzungsraten, Zugversuche an Einzelfilamenten
  • Kr├Ąfte bis 10 kN: Scherversuche, z.B. IPS, ILSS und V-Kerb, Zugversuche an Filamentstr├Ąngen, UD 90┬░ Zugversuche, Zugversuche in Dickenrichtung
  • Kr├Ąfte bis 100 kN UD 0┬░ Zugversuche, Zugversuche MD bei kleineren Laminatdicken, Druckversuche nach ISO, ASTM und EN Normen, Kerbdruckversuche, Lochleibungsversuche
  • Kr├Ąfte ├╝ber 100 kN Zug- und Druckversuche nach Airbus Normen bei entsprechender Laminatst├Ąrke, Compression After Impact

Wenn das Pr├╝faufkommen aber nicht so hoch oder so regelm├Ą├čig ist, dass sich die Investition in mehrere Pr├╝fmaschinen lohnt, dann ist es vorteilhaft, eine einzige Pr├╝fmaschine so auszustatten, dass m├Âglichst viele Pr├╝fverfahren mit dem geringstm├Âglichen Umbauaufwand durchgef├╝hrt werden k├Ânnen.

Zu diesem Zweck hat ZwickRoell modulare Pr├╝fmaschinenkonzepte f├╝r elektromechanische und servohydraulische Pr├╝fmaschinen in verschiedenen Nenngr├Â├čen entwickelt. Der Vorteil dieser modularen Systeme liegt auf der Hand: Alle Werkzeuge, Extensometer, Software und eventuell Schutzscheiben und die Temperierkammer sind Teil der Modularit├Ąt und aufeinander abgestimmt. Weiterhin gewinnt dieses System bei der Zukunftssicherheit, da alle Komponenten auch nachger├╝stet werden k├Ânnen.

Anwendungsbeispiele f├╝r die Pr├╝fung an Composites

Zugversuche

an Einzelfilamenten, Filamentstr├Ąngen, 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 Sch├Ądigung, die z.B. bei Flugzeugen oder Fahrzeugen durch Steinschlag, Vogelschlag oder durch Unf├Ąlle auftreten kann.
zu Compression After Impact CAI

Biegeversuche

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

Schiefzugausrichtung

Die Pr├╝fung von Faserverbundwerkstoffen erfordert eine sehr genaue Ausrichtung der Pr├╝fachse.
zu Schiefzugausrichtung

Interlaminare Scherfestigkeit ILSS

Die interlaminare Scherfestigkeit wird ├╝blicherweise im Kurzbiegeversuch ermittelt.
zu Interlaminare Scherfestigkeit ILSS

Scherung durch ├ťberlappung

Scherversuche eignen sich f├╝r Vergleiche an Klebungen von Laminaten.
zu Scherung durch ├ťberlappung

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 geh├Âren zu den bruchmechanischen Kennwerten und werden ├╝blicherweise in Mode I und Mode II bestimmt.
zu Energiefreisetzungsraten G

Dynamisch zyklische Pr├╝fverfahren

werden zur Beurteilung der Lebensdauer von Probek├Ârpern, Strukturelementen und Bauteilen eingesetzt.
zu Dynamisch zyklische Pr├╝fverfahren

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