Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden (VDI-Buch)

679 Pages·2004·0.46 MB·German

by  Helmut Schürmann

HelmutSchürmann
KonstruierenmitFaser-Kunststoff-Verbunden
Helmut Schürmann
Konstruieren mit
Faser-Kunststoff-
Verbunden
2., bearbeitete und erweiterte Auflage
mit381Abbildungenund39Tabellen
123
ProfessorDr.-Ing.HelmutSchürmann
TUDarmstadt
FB16Maschinenbau
FGKonstruktiverLeichtbauundBauweisen
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Vorwort
Das vorliegende Lehrbuch entstand aus der an der Technischen Universität Darm-
stadt gehaltenen Vorlesung „Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden“. Das
Buch basiert auf dem Erfahrungshorizont eines Faserverbund-Konstrukteurs und
ist demzufolge an Studierende adressiert, die sich der Konstruktion von Faserver-
bund-Bauteilen widmen wollen. Primäres Ziel ist es, dass hierzu unbedingt not-
wendige Handwerkszeug kompakt zusammen zu stellen. Dazu gehören in erster
Linie die mechanisch-mathematischen Methoden zum Entwurf und zur Dimensio-
nierung von Laminaten, sowie die wichtigsten Konstruktionsregeln. Ein weiteres
Ziel ist es, die Kenntnisse der Studierenden in der Technischen Mechanik zu festi-
gen. Hierzu ist die Behandlung der Faser-Kunststoff-Verbunde besonders geeig-
net, da deren Elasto-Statik aufgrund des anisotropen Charakters dieser Werkstoff-
klasse einen allgemeineren und umfassenderen Zugang zur Technischen Mechanik
erfordert, als der Sonderfall der isotropen Konstruktionswerkstoffe. Es wurde ver-
sucht, den Zugang zur Mechanik der Faser-Kunststoff-Verbunde einfach zu hal-
ten, um die gestalterische Kreativität der Konstrukteure nicht durch zu hohe ma-
thematische Hürden zu behindern.
Der Umgang mit Faser-Kunststoff-Verbunden erfordert ein breites interdiszi-
plinäres Wissen. Für eine fundierte Produktentwicklung ist die Abstimmung von
Polymerchemikern, Berechnungs-, Konstruktions- und Fertigungsingenieuren un-
abdingbar. Trotz der Mitarbeit anderer Disziplinen benötigt der Konstrukteur je-
doch selbst – zusätzlich zu seinem Konstruktionswissen – solide Kenntnisse über
die Werkstoffe und Halbzeuge, sowie über die faserverbundspezifischen Ferti-
gungsverfahren. Beide, sowohl der Werkstoff als auch die Fertigung, beeinflussen
bei den Faser-Kunststoff-Verbunden die Konstruktion, und zwar stärker als bei
konventionellen Werkstoffen. Aus diesem Grunde wurde eine kurz gefasste Werk-
stoffkunde aufgenommen. Fertigungsverfahren werden nur angeschnitten. Ihre
vertiefte Behandlung ist einem Faserverbund-Tutorium vorbehalten, da die Fülle
an Details sich nicht gut theoretisch vermitteln lässt. Die verwendeten Werkzeuge
und Hilfsmittel sowie die Fertigungsabfolgen und Fertigungskniffe lassen sich
leichter anhand praktischer Demonstrationen und eigener Tätigkeit erlernen.
In Deutschland wurden wesentliche Grundlagen der Faserverbundtechnik von
1960 bis 1980 an verschiedenen Forschungseinrichtungen erarbeitet. In gewisser
Weise haben sich dabei mehrere „Schulen“ herausgebildet. Ohne Anspruch auf
Vollständigkeit seien genannt: Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an
der RWTH Aachen, das Institut für Leichtbau an der TU Berlin, das Institut für
Werkstoffkunde an der Universität Hannover, das Deutsche-Kunststoff-Institut
(DKI) in Darmstadt, die Strukturmechanik-Institute des Deutschen Zentrums für
VI Vorwort
Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig und Stuttgart, die Flugzeugbaufir-
men Dornier und Messerschmidt-Bölkow-Blohm. Inzwischen sind weitere Faser-
verbundzentren entstanden. Fundamentale Beiträge lieferten auch die Rohstoffher-
steller auf der Kunststoffseite (BASF, Bayer, Ciba) und auf der Faserseite (Owens
Corning Fiberglass, Vetrotex), sowie eine Reihe von Verarbeitern. Einen großen
Anteil an der Fortentwicklung der Faser-Kunststoff-Verbunde hat auch der zuge-
hörige Verband, die Arbeitsgemeinschaft Verstärkte Kunststoffe, heute Industrie-
verband Verstärkte Kunststoffe e.V. (AVK). Er fördert den Wissensaustausch
durch die jährliche Verbandstagung, durch eine Reihe von Arbeitsgruppen sowie
durch die Herausgabe von Handbüchern.
Dieses Buch führt die „Darmstädter Schule“ fort, die mit dem DKI und den
Namen Knappe, Puck, Wurtinger, Förster, Schneider verbunden ist.

Darmstadt, im Mai 2007 H. Schürmann
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung............................................................................................................1
1.1 Historie der Faserverbundwerkstoffe...........................................................1
1.2 Vorteile und Nachteile der Faser-Kunststoff-Verbunde..............................4
1.3 Einsatzgebiete..............................................................................................5
1.3.1 Luft- und Raumfahrt.............................................................................6
1.3.2 Fahrzeugbau.........................................................................................8
1.3.3 Boots- und Schiffsbau..........................................................................8
1.3.4 Maschinenbau.......................................................................................9
1.3.5 Apparate- und Rohrleitungsbau............................................................9
1.3.6 Elektrotechnik......................................................................................9
1.3.7 Bauwesen...........................................................................................10
1.3.8 Sportgeräte.........................................................................................10
1.4 Allgemeine Bemerkungen.........................................................................10
1.5 Informationsbeschaffung und Weiterbildung............................................11
Literatur...........................................................................................................12
2 Begriffe, Annahmen.........................................................................................13
2.1 Zum Wirkprinzip und zur Benennung.......................................................13
2.2 Zur Matrix..................................................................................................14
2.3 Zu den Begriffen Mehrschichten-Verbund und Unidirektionale Schicht..14
2.4 Schichtenweise Betrachtungsweise............................................................15
2.5 Zu den Begriffen Mikro- und Makromechanik..........................................16
2.6 Begriffe zur Charakterisierung des Werkstoffs
– Kontinuum, Homogenität, Anisotropie –................................................17
Normen............................................................................................................17
Werkstoffkunde der Faser-Kunststoff-Verbunde............................................19
3 Fasern................................................................................................................21
3.1 Zur Wirksamkeit der Faserform.................................................................21
3.1.1 Einfluss des Größeneffekts.................................................................21
3.1.2 Einfluss von Orientierungen...............................................................23
3.1.3 Verminderung von Fehlstellen und Kerben........................................23
3.1.4 Eigenspannungen................................................................................25
3.1.5 Auswirkung der Faserform auf den Versagensfortschritt...................25
3.1.6 Zur Querschnittsform von Fasern.......................................................26
VIII Inhaltsverzeichnis
3.2 Einteilung der Fasern.................................................................................26
3.3 Glasfasern..................................................................................................27
3.3.1 Herstellung.........................................................................................27
3.3.2 Mechanische Eigenschaften...............................................................28
3.3.3 Temperatureinfluss, Einsatzgrenzen..................................................30
3.3.4 Chemikalienbeständigkeit..................................................................31
3.3.5 Elektrische Eigenschaften..................................................................33
3.3.6 Lieferformen......................................................................................33
3.4 Kohlenstofffasern......................................................................................35
3.4.1 Herstellung.........................................................................................35
3.4.2 Mechanische Eigenschaften...............................................................39
3.4.3 Temperatureinfluss, Einsatzgrenzen..................................................41
3.4.4 Elektrische Eigenschaften..................................................................42
3.4.5 Lieferformen......................................................................................42
3.5 Aramidfasern.............................................................................................43
3.5.1 Herstellung.........................................................................................43
3.5.2 Mechanische Eigenschaften...............................................................43
3.5.3 Temperatureinfluss, Einsatzgrenzen..................................................46
3.5.4 Chemikalienbeständigkeit..................................................................47
3.5.5 Elektrische Eigenschaften..................................................................47
3.6 PBO-Faser.................................................................................................48
3.6.1 Herstellung.........................................................................................48
3.6.2 Mechanische Eigenschaften...............................................................48
3.6.3 Temperatureinfluss, Einsatzgrenzen..................................................49
3.6.4 Chemikalienbeständigkeit..................................................................49
3.6.5 Elektrische Eigenschaften..................................................................49
3.7 Polyethylenfaser........................................................................................49
3.7.1 Herstellung.........................................................................................50
3.7.2 Mechanische Eigenschaften...............................................................50
3.7.3 Temperatureinfluss, Einsatzgrenzen..................................................51
3.7.4 Chemikalienbeständigkeit..................................................................51
3.7.5 Elektrische Eigenschaften..................................................................51
3.8 Weitere Fasertypen....................................................................................52
3.8.1 Naturfasern.........................................................................................52
3.8.2 Basaltfasern........................................................................................53
3.8.3 Quarzfasern........................................................................................54
3.8.4 Aluminiumoxid-Fasern......................................................................55
3.8.5 Siliziumcarbid-Fasern........................................................................55
3.9 Zur Faser-Matrix-Grenzfläche...................................................................56
3.10 Faser-Halbzeuge......................................................................................57
3.10.1 Gewebe.............................................................................................60
3.10.2 Multiaxialgelege...............................................................................63
3.10.3 Matte, Vlies......................................................................................64
3.10.4 Kernmaterialien................................................................................67
3.10.5 3D-Gewebe und Gelege...................................................................67
3.10.6 Maschenware: Gestricke und Gewirke.............................................68
Inhaltsverzeichnis IX
3.10.7 Abstandsgewebe...............................................................................69
3.10.8 Flechtschläuche................................................................................69
3.10.9 Sticken..............................................................................................70
3.10.10 Nähen.............................................................................................71
3.10.11 Abreißgewebe.................................................................................71
3.10.12 Blitzschutz, elektrische Abschirmung............................................73
3.11 Lagerungs- und Verarbeitungshinweise...................................................74
3.12 Methodik zur Faserauswahl.....................................................................75
3.12.1 Wahl des Fasertyps...........................................................................75
3.12.2 Wahl und Überprüfung der geeigneten Schlichte.............................76
3.12.3 Zur Beschaffung und Bewertung von Faserdaten............................78
Literatur...........................................................................................................79
Normen............................................................................................................80
4 Polymere Matrixsysteme..................................................................................83
4.1 Aufgaben und Einteilung der Matrixsysteme............................................83
4.1.1 Duroplaste..........................................................................................84
4.1.2 Thermoplaste......................................................................................85
4.1.3 Elastomere..........................................................................................86
4.1.4 Füllstoffe............................................................................................87
4.2 Methodik zur Matrixauswahl.....................................................................91
4.3 Werkstoffeigenschaften von polymeren Matrixsystemen..........................92
4.3.1 Notwendige mechanische Eigenschaften...........................................92
4.3.2 Temperaturbereiche............................................................................96
4.3.3 Einfluss hoher Temperaturen.............................................................96
4.3.4 Temperaturbelastung durch Sonneneinstrahlung...............................97
4.3.5 Beurteilung der Temperatureinsatzgrenzen eines Kunststoffs...........99
4.3.6 Belastbarkeit bei T > Tg...................................................................107
4.3.7 Wirkung tiefer Temperaturen...........................................................108
4.3.8 Ergänzende Hinweise.......................................................................109
4.4 Chemische Beständigkeiten der Matrixpolymere....................................110
4.5 Fertigungsanforderungen an ein Matrixsystem........................................110
4.5.1 Zur Fasertränkung............................................................................111
4.5.2 Zur Lagerung....................................................................................113
4.5.3 Zur Verarbeitungs- und Gelierzeit....................................................113
4.5.4 Nachhärten oder Tempern................................................................114
4.5.5 Kontrolle des Härtungsgrads............................................................115
4.5.6 Anforderungen an den Arbeitsschutz und die Abfallentsorgung......116
4.6 Ungesättigte Polyesterharze.....................................................................119
4.6.1 Allgemeines......................................................................................119
4.6.2 Zur Verarbeitung und Härtung.........................................................121
4.6.3 Eine alternative Härtungsmethode, die Lichthärtung.......................124
4.6.4 Nachhärten oder Tempern................................................................124
4.6.5 Kontrolle des Härtungsgrads............................................................125
4.7 Epoxidharze.............................................................................................125
4.7.1 Allgemeines......................................................................................125
X Inhaltsverzeichnis
4.7.2 Zur Verarbeitung und Härtung.........................................................126
4.7.3 Nachhärten oder Tempern................................................................127
4.8 Vinylesterharze........................................................................................127
4.8.1 Allgemeines......................................................................................127
4.8.2 Zur Verarbeitung und Härtung.........................................................128
4.9 Harz-Sondereinstellungen........................................................................128
4.10 Thermoplastische Matrices....................................................................129
4.11 Ausgewählte Matrix-Daten....................................................................132
4.12 Abschließende Hinweise.......................................................................133
Literatur.........................................................................................................133
Normen..........................................................................................................134
5 Faser-Matrix-Halbzeuge................................................................................137
5.1 Sinn und Einteilung vorimprägnierter Halbzeuge...................................137
5.2 Duroplastische SMC- und BMC-Formmassen........................................139
5.2.1 Allgemeines......................................................................................139
5.2.2 Zur Herstellung................................................................................141
5.2.3 Zur Verarbeitung..............................................................................142
5.2.4 Vorteile/Nachteile und Anwendungen.............................................143
5.3 Duroplastische Prepregs..........................................................................145
5.3.1 Allgemeines......................................................................................145
5.3.2 Zur Verarbeitung..............................................................................147
5.3.3 Vorteile/Nachteile und Anwendungen.............................................149
5.4 Kurzfaserverstärkte Thermoplaste...........................................................150
5.5 Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT)............................................151
5.5.1 Allgemeines......................................................................................151
5.5.2 Zur Verarbeitung..............................................................................152
5.5.3 Vorteile/Nachteile und Anwendungen.............................................152
5.6 Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT)................................................154
5.6.1 Allgemeines......................................................................................154
5.6.2 Zur Verarbeitung..............................................................................155
5.6.3 Vorteile/Nachteile und Anwendungen.............................................156
5.7 Thermoplastische Prepregs......................................................................156
5.7.1 Allgemeines......................................................................................156
5.7.2 Zur Herstellung................................................................................156
5.7.3 Zur Verarbeitung..............................................................................157
5.8 Garngemische und Pulver imprägnierte Garne........................................157
Literatur.........................................................................................................158
6 Wichtige Kenngrößen der Einzelschichten und des Laminats...................161
6.1 Relativer Faservolumenanteil..................................................................161
6.1.1 Zur Bestimmung des relativen Faservolumenanteils........................162
6.1.2 Wichtige Hinweise...........................................................................165
6.2 Dichte des Verbunds................................................................................165
6.3 Schichtdicken und benötigte Fasermengen..............................................165
6.4 Benötigte Matrixmenge...........................................................................167
Inhaltsverzeichnis XI
6.5 Mischpreis................................................................................................168
Literatur.........................................................................................................168
Normen..........................................................................................................168
Das Werkstoffgesetz der Unidirektionalen Schicht........................................171
7 Das lineare Elastizitätsgesetz der UD-Schicht..............................................173
7.1 Definitionen.............................................................................................173
7.1.1 Begriff des Flusses und der Spannung.............................................173
7.1.2 Begriff der Verzerrung.....................................................................175
7.1.3 Begriff der Querkontraktionszahl.....................................................175
7.1.4 Begriff des Elastizitätsmoduls..........................................................176
7.1.5 Vorzeichenregelung..........................................................................176
7.1.6 Zur Indizierung.................................................................................177
7.1.7 Die Definitionen von „elastisch“ und „linear elastisch“...................177
7.2 Einordnung des Elastizitätsgesetzes der UD-Schicht...............................177
7.2.1 Trikline Anisotropie.........................................................................178
7.2.2 Monokline Anisotropie.....................................................................180
7.2.3 Orthotropie.......................................................................................180
7.2.4 Transversale Isotropie......................................................................181
7.2.5 Definition des Orthotropiegrads.......................................................183
Normen..........................................................................................................184
8 Bestimmung der Grund-Elastizitätsgrössen einer UD-Schicht..................185
8.1 Zur experimentellen Bestimmung der Grund-Elastizitätsgrößen.............186
8.1.1 Zu E||.................................................................................................186
8.1.2 Zu E⊥ und G⊥||...................................................................................186
8.1.3 Zu ν⊥||................................................................................................187
8.2 Bestimmung der Grund-Elastizitätsgrößen mittels Mikromechanik........187
8.3 Längs-Elastizitätsmodul E einer UD-Schicht........................................189
(cid:38)
8.3.1 Parameterdiskussion und Fazit.........................................................191
8.3.2 Validierung der mikromechanischen Ansatzes................................192
8.3.3 Umrechnung von E|| auf einen anderen Faservolumenanteil............193
8.4 Quer-Elastizitätsmodul E einer UD-Schicht.........................................193
⊥
8.5 Quer-Längs-Schubmodul G einer UD-Schicht....................................196
⊥(cid:38)
8.6 Querkontraktionszahlen einer UD-Schicht..............................................197
8.6.1 Querkontraktionszahl ν⊥||..................................................................197
8.6.2 Querkontraktionszahl ν||⊥..................................................................199
8.6.3 Querkontraktionszahl ν⊥⊥.................................................................200
8.7 Quer-Quer-Schubmodul G einer UD-Schicht.....................................202
⊥⊥
8.8 Ergänzungen............................................................................................202
8.8.1 Physikalisch nichtlineares Werkstoffverhalten.................................203
8.8.2 Umrechnung experimentell ermittelter Elastizitätsgrößen...............204
Literatur.........................................................................................................204