Von der Carbonfaser zum Bauteil

Transkript

1 Von der Carbonfaser zum Bauteil Dipl.-Ing. Thomas Mertin

2 Speed-Canard / Eurotrainer

3 THM Faserverbund- Technologie GmbH

4 THM Faserverbund- Technologie GmbH

5 THM Faserverbund- Technologie GmbH

6 THM Faserverbund- Technologie GmbH

7 THM Faserverbund- Technologie GmbH

8 Carbon-Bauteil Spritzgußteile eingelagerte kurze Carbonfasern Faserverbundbauteile Langfasern (z.b. Glas, Carbon, Aramid) Matrix (z.b. Duroplaste, Thermoplaste)

9 Carbon-Langfasern

10 Sorten von Langfasern 7000 Zug-E-Modul / Zugfestigkeit Tenax Kohlenstofffasern Zugfestigkeit (MPa) UTS R-Glass Aramid-HM E-Glass IMS 5131 UMS 2526 IMS 3131 UMS 3536 HTA/HTS/STS HMA Alu Titan Stahl Zug-E-Modul (GPa)

11 Halbzeuge aus den Fasern Gewebe Leinwand Köper

12 Halbzeuge aus den Fasern Unidirektionale Bänder Gelege Unidirektional bidirektional Flechtschläuche

13 Die Matrix Duroplaste (z.b. Polyester-, Epoxid-Harz) Härten aus, keine erneute plastische Verformung unlöslich, unschmelzbar, nicht schweißbar Thermoplaste (z.b. ABS, Polystyrol, PVC) Lassen sich wiederholt plastisch verformen In organischen Lösungsmitteln löslich Verbindungen durch Schweißen möglich

14 Epoxid-Harz fixiert die Fasern in der Form überträgt die Kräfte auf die Fasern stützt die Fasern bei Druckbeanspruchung

15 Fasern + Matrix = Faserverbund Eigenschaften Fasern Eigenschaften Matrix

16 Ausflug in die Festigkeitslehre Steifigkeit (E-Modul) Wenig Verformung bei Belastung (z.b. Glasrohr) u.u. aber Bruch bei geringen Belastungen Festigkeit Hohe Belastbarkeit ohne zu brechen u.u. aber hohe Verformung (z.b. Gummiseil) Bruchdehnung Masse Verformung beim Bruch

17 Fasern + Matrix = Faserverbund Fasern Hohe Steifigkeit Hohe Festigkeit Geringe Bruchdehnung Geringe Dichte Matrix Geringe Steifigkeit Geringe Festigkeit Hohe Bruchdehnung Geringe Dichte Der Verbund hat deutlich schlechtere Eigenschaften als die reine Faser, aber i.a. bessere als die Matrix

18 Verbundeigenschaften 7000 Zug-E-Modul / Zugfestigkeit Tenax Kohlenstofffasern Zugfestigkeit (MPa) UTS R-Glass Aramid-HM E-Glass UD-Verbund IMS 5131 UMS 2526 IMS 3131 UMS 3536 Fasereigenschaften HTA/HTS/STS HMA 2236 isotroper Verbund Stahl 1000 Titan Stahl Alu Titan Alu Zug-E-Modul (GPa)

19 Faserverbund Belastung in Faserrichtung Hohe Festigkeit Hohe Steifigkeit Geringe Bruchdehnung Belastung der Matrix, d.h. quer zur Faser Geringe Festigkeit Geringe Steifigkeit Hohe Bruchdehnung

20 "fasergerechte" Konstruktion "fasergerecht" bedeutet: Fasern liegen in Belastungsrichtung Keine Belastungen quer zu den Fasern

21 Belastungsrichtung? Genaue Kenntnisse über die äußeren Kräfte Lastmessungen im Fahrbetrieb Normen, Literatur, Abschätzungen, Rechnungen Bestimmung der inneren Kräfte Über Schnittlastenberechnung FEM-Berechnung (Finite Elemente Methode)

22 Nicht "fasergerecht"

23 "fasergerecht" spezifische Steifigkeit 13,9 13,7 26,1 0 Stahlbügel CfK-Platte CfK-Rovings

24 Vergleich: CfK - Metalle Steifigkeit Festigkeit Bruchdehnung Masse

25 Grundlagen für den Vergleich Massenspezifische Werte Steifigkeit bezogen auf die Masse Festigkeit bezogen auf die Masse Die unterschiedlichen Massen (Dichten) der verschiedenen Werkstoffe werden somit für den Vergleich eliminiert, es entstehen spezifische Kennwerte

26 Spezifische Werte im Vergleich 700% 600% 500% 400% 300% 200% 100% Stahl Titan Alu Magnesium Carbon längs Carbon quer Carbon quasiisotrop 0% Festigkeit Steifigkeit Dichte

27 Besonderheiten von CfK bei der Konstruktion Die absoluten Werkstoffwerte erfordern große Flächenträgheitsmomente Die geringe Dichte erlaubt großvolumigere Querschnitte Grenzen: Bauraum, Biometrik, Stabilitätsprobleme (Beulen, Knicken)

28 Werkstoffwerte von CfK Es gibt keine definierten Werkstoffwerte für die Konstruktion eines CfK-Bauteil Sowohl Materialeigenschaften als auch Geometrie und Wandstärke können sehr variabel gestaltet werden Der Werkstoff CfK und seine Eigenschaften entstehen bei der Bauteilherstellung

29 Wie gut ist Carbon? Viele Vorteile bei: einfachen Lastfällen großflächigen Strukturen hohen Lastwechselzahlen (sehr ermüdungsfest) Kaum Vorteile, u.u. auch Nachteile bei: komplexen Belastungen vielen Krafteinleitungen hohen Scher- u. Querkräften

30 Werkzeugbau Werkzeugformen Abformung von einem Urmodell Urmodell gespachtelt oder CNC gefräst Herstellung nach CAD-Daten Kunststoff oder Metall Sehr bedeutender Kostenfaktor

31 Herstellung des Faserverbunds Handlaminat

32 Herstellung des Faserverbunds Wickeln

33 Herstellung des Faserverbunds Pressverfahren

34 Grundlegendes Material (Fasern + Harz) werden in eine Negativform eingebracht Unter Druck (1 8 bar) und Temperatur ( C) erfolgt eine Härtung Nachträgliche Wärmebehandlung bis zu 150 C (Temperung)

35 Serienfertigung

36 Serienfertigung

37 Belegeplan Qualitätssicherung Überwachung nach Größe, Position und Menge Ablaufüberwachung Harzproben, Temperatur, Nachbearbeitung Bauteilprüfung Masse, Steifigkeit, Festigkeit Dokumentation

38 Klassifizierung von Schäden Oberflächige Kratzer Woher kommen diese Kratzer? Risse unproblematisch, wenn wirklich nur oberflächig entstanden problematisch, wenn ein Sturz die Ursache ist (Hersteller) haben oft tiefergehende Hintergründe Müssen auf jeden Fall näher betrachtet werden (Hersteller) Deutliche Eindrücke und Löcher Müssen repariert werden (Hersteller)

39 Schadens-Beispiele

40 Kompetenz des Herstellers Der Hersteller kann einen Schaden am besten beurteilen Erfahrung Messung (Steifigkeit, Festigkeit mit s=1) Zerstörungsfreie Prüfverfahren Ultraschall Thermographie

41 Zusammenfassung basic Die Faser ist sehr gut die Matrix ist aber notwendig Die Eigenschaften entstehen bei der Fertigung Je einfacher die Belastung, desto größer die Chance einer Verbesserung gegenüber Metallen Hohe Empfindlichkeit im Betrieb Beurteilung von Schäden fast nur durch den Hersteller möglich

42 Quellenverzeichnis R&G Faserverbundwerkstoffe, Waldenbuch Tenax Fibers, Wuppertal Storck-Bicycle GmbH, Bad Camberg Velotech, Schweinfurt Interglas, Ulm August Krempel Soehne GmbH+Co Wolfangel GmbH ETH Zürich Fibrolux Hofheim Groß, Mountainbikes, VDI Reihe 12 Nr. 308