Vorlesung Kunststofftechnik

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1 Vorlesung Kunststofftechnik 1 Einführung Kriterien für den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen (FVW) Faserverstärkung Herstellung der Verstärkungsfaser Auswahl der Faser 3 2 Faserausrichtungen Materialeigenschaften und Kennwerte Verarbeitung von Prepregs im Autoklaven Punkt-Biegeversuch Rissausbildung Beispiel: Berechnung eines zylindrischen Tanks 6 3 Aufbau der Laminate Regeln zum Aufbau von Laminaten aus DU-Schichten 8 4 Verarbeitungsverfahren Faserverstärkte Thermoplaste Faserverstärkte Duroplaste RTM (Resin Transfer Moulding) Vakuuminjektionsverfahren Prepregverfahren im Autoklaven Vergleich der Herstellungsverfahren Einsatzpotientiale für FVK gegenüber Stahl/ Alu Kohlestofffaserverstärkte Thermoplaste 14 5 Orthotrope Eigenschaften Werkstoffe (mit Matrizenrechnung) 15 6 Kennwerte der unidirektional verstärkten Einzelschicht Einfluss von Schlagbeanspruchungen auf die mechanischen Eigenschaften 21 7 Elastomere

2 4. Verarbeitungsverfahren 4.1 Faserverstärkte Thermoplaste Spritzgießen von kurzfaserverstärkten Thermoplasten Pressen GMT (Glasmattenverstärkter Thermoplast) Injektion vor der Polymerisation (z.b. PA) 4.2 Faserverstärkte Duroplaste R-RIM ( Reinforced RIM Prepreg-Verarbeitung und Autoklaventechnik Handlaminierverfahren RTM (Resin Transfer Moulding) Vakuuminjektionsverfahren Pressen SMC (sheet moulding compound) Langfaserverstärktes PUR EndlosFaserverstärkt Langfaserverstärkt RTM (Resin Transfer Moulding) Harzinjektion eines Faservorformlings in einer geschlossenen Form Aufbau Transferbehälter Druck Werkzeug Harzfalle Vakuumpumpe Harz Schritte: 1 Evakuieren der Form 2 Füllvorgang 3 Spülen, Vermeiden von Lunkern 3 Aushärten mit Nachdruck, um Schindung des Harzes auszugleichen Temperatur: Aushärtung bei Raumtemperatur bis ca.60 C Harze: Epoxydharze Polyesterharze Vinylesterharze

3 Werkzeug: zweischalig aus Alu oder Kunststoff Druck im Werkzeug Injektion bei ca. 4 bar Nachdruck bis ca. 25 bar Injektionsvorgang wird bestimmt durch: Angußarten: Zentraler Anguß Filmanguß - Viskosität - Geometrie des Bauteils - Art der Faserverstärkung Oberflächen: beidseitig sehr gut Bauteilgröße: < ca. 3m 2 Stückzahlen: 100 bis Stück pro Jahr Viskositätsverlauf des Harzes η

4 Produktionsverlauf: 25 bar 5 bar 1 bar Zeit [t] Vakuuminjektionsverfahren Werkzeug aus Kunststoff, Holz, Aluminium Herstellung von Bauteilen mit Faserverstärkung (gerichtete Endlosfaser) Harzinjektion in 2 Schritten: 1, Verteilung des Harzes im Verteilersystem (parallel zur Laminatebene) 2, Verteilung des Harzes senkrecht zur Laminatebene (in Dickenrichtung) Bauteilgröße: > 3m 2 Stückzahlen bis ca Stück Druck: 1bar Temperatur: Härtung bei Raumtemperatur bis 60 C Tempern bei 60 C Oberfläche: die werkzeugzugewandte Seite gut

5 4.2.3 Prepregverfahren im Autoklaven Herstellung eines Halbzeugs (Prepreg) Langfasern werden mit Harz getränkt, aber nicht ausgehärtet Lagerung bei 18 C keine Aushärtung Druck: bis ca. 10bar Temperatur: bis ca. 180 C Härtung im Autoklaven

6 4.3 Vergleich der Herstellungsverfahren 4.4 Einsatzpotentiale für FVK gegenüber Stahl / Alu > Optimierung des Verhältnisses Stückzahl / Investitionskosten > Reduzierung der finanziellen Risiken > Gewichtsreduktion > höhere spezifische Festigkeit und Steifigkeit > hohe Designfreiheit > Nutzung der Vorteile von Hybridbauweisen (Verbindung mit verschiedenen Materialien) > Verkürzung der Entwicklungszeit > Erhöhung der Modellvarianten

7 4.5 Kohlestofffaserverstärkte Thermoplaste Faser: C-Faser, gerichtete Endlosfaser Matrix: Thermoplast (z. B. PP) Halbzeuge: Hybridgewebe (Thermoplaste müssen aufgeschmolzen werden) 1. Möglichkeit: Bildung von Thermoplastfäden Verwebung Erwärmung in der Presse Verbindung) 2. Möglichkeit: Bildung von Gewebe aus ummantelten Kohlestofffasern Erwärmung in der Presse Verbindung) Verarbeitung beider Halbzeuge: - in der Presse: Erwärmung über T s der thermoplastischen Matrix - Abkühlen und Entformen - Temperatur ca. 230 C - Zykluszeit ca. 10 min. - Bei engen Radien Neigung zur Faltenbildung (Bauteilgröße ca. 0,5 m²)