Die Rolle der Textilien bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen Christian Fiebig Workshop Smarte Faserverbundwerkstoffe Weimar

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1 Die Rolle der Textilien bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen Christian Fiebig Workshop Smarte Faserverbundwerkstoffe Weimar Diese/r Präsentation/ Bericht ist durch Mitarbeiter des Fachgebietes Kunststofftechnik der TU Ilmenau erstellt. Die Verwendung, Verteilung, Zitierung und Vervielfältigung auch auszugsweise zum Zwecke der Weitergabe an Dritte ist nur mit vorheriger schriftlicher Zustimmung der Autoren gestattet.

2 Agenda SmartTex Workshop Smarte Faserverbundwerkstoffe, , Weimar 1 Die Rolle der Textilien in faserverstärkten Kunststoffen 2 Polymerfasern in Faserverbundkunststoffen Bild 1

3 Die Rolle der Textilien in faserverstärkten Kunststoffen Quelle: Bild 2 Fasern in Kunststoffen

4 FVK als Konstruktionswerkstoff Quelle: Onyx Composites Bild 3 Fasern in Kunststoffen

5 Vor- und Nachteile des Konstruktionswerkstoffes - hohe spezifische Festigkeit - hohe spezifische Steifigkeit - freie Formgestaltung - Korrosionsbeständigkeit - Einstellbarkeit der elektrischen Eigenschaften - hohes spezifisches Energieaufnahmevermögen - Einstellbarkeit der Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient - günstige Gesamt-Energiebilanz - Anisotropie der Eigenschaften - vergleichsweise hoher Materialpreis - Komplexität der Entwicklung - aufwändige Fertigung - Anisotropie der Eigenschaften Bild 4 Fasern in Kunststoffen

6 Mechanische Eigenschaften von Fasern Quelle: TU Ilmenau Bild 5 Fasern in Kunststoffen

7 Entwicklung von bei Bauteilen aus FVK I Prozessschritte Art und Größe der Belastung Festlegung der Bauteilgeometrie und Auswahl der Faserorientierung Berechnung Hauptspannungen mittels FEM-Berechnung iterative Optimierung des Laminataufbaus (Faser-Matrix-Kombination) Nachweisrechnungen abschließende Festlegung der Details des Fertigungsverfahrens Quelle: TU Ilmenau konstruktive Gestaltungsregeln Laminataufbau Wandstärken Wandstärkeänderungen Ecken und Kanten Entformungsschrägen große, plane Flächen Quelle: TU Ilmenau Bild 6 Fasern in Kunststoffen

8 Entwicklung von bei Bauteilen aus FVK II konstruktive Gestaltungsregeln Rippen und Versteifungen Krafteinleitung Zielgrößen mechanische Bauteileigenschaften Verhalten gegenüber Umwelteinflüssen geeignetes Fertigungsverfahren Kosten Bauteilgewicht Quelle: L+R Quelle: Mitschang Bild 7 Fasern in Kunststoffen

9 Abgeleitete Anforderung an die Textilien I Festigkeitsanforderungen Minimierung des Faserdurchmessers Orientierung der stärksten atomaren Bindung in Faserlängsrichtung (Kristallebenen und Molekülketten) Erhöhung der Kerbfreiheit der Faser Beschichtung der Faseroberfläche für eine verbesserte Faser-Matrix-Haftung und Faserschutz (Schlichte bzw. Avivage) Quelle: Schürmann Geometrie Drapierbarkeit der Faserstruktur durch geeignetes Webverfahren Krümmungsfähigkeit der Fasern bei Verwendung kleiner Radien Quelle: ETH Zürich Bild 8 Fasern in Kunststoffen

10 Abgeleitete Anforderung an die Textilien II Reaktion auf Umwelteinflüsse hohe Wärmebeständigkeit geringe Feuchtigkeitsaufnahme hohe Strahlungsresistenz chemische Beständigkeit Kosten industriell wirtschaftliche Faserherstellungsverfahren Quelle: TU Ilmenau geeignetes Fertigungsverfahren Preform- & Prepreg-Technologie Verschiebefestigkeit der Faserstruktur während des Injektionsvorganges Förderung der Durchtränkung der Fasern Quelle: Neitzel Bild 9 Fasern in Kunststoffen

11 Funktionale Fasern aktive Bauweisen I Eingesetzte Werkstoffgruppen Piezoelektrische Werkstoffe Piezorestriktive Materialien Formgedächtnislegierungen optische Fasern Einfluss auf die Festigkeit FVK Veränderung der Werkstoffeigenschaften (E-Modul, Faservolumengehalt, ) Konstruktive Gestaltung Applikation auf Oberfläche Integration in Laminat Quelle: Flemming Bild 10 Fasern in Kunststoffen

12 Funktionale Fasern aktive Bauweisen II erzielte Ergebnisse Schadenserkennung Schwingungskontrolle Lärmreduzierung integrierte Antennen Geometrieadaption Quelle: TU Chemnitz Quelle: MIT Bild 11 Fasern in Kunststoffen

13 Funktionale Fasern Hilfstextilien Eingesetzte Werkstoffe organische & anorganische Fasern Anwendungsbeispiele Kernlagenvlies für Sandwichaufbau Eckverstärkungen durch geflochtene Zwickel Heizelemente für Leichtbauformen Abreißgewebe für erleichterte Nachbearbeitung Absaufflies zur Laminatentlüftung während des Fertigungsprozesses Fließhilfe zur verbesserten Harzverteilung während der Fertigung Füllstoffe zur Eigenschaftsverbesserung Quelle: R&G Quelle: R&G wiki Bild 12 Fasern in Kunststoffen

14 Herausforderungen hochpräziser Bauteile Reproduzierbarkeit des Herstellungsverfahrens Relevanz Langzeitverhalten (Dauerfestigkeit/ Maßhaltigkeit) präzise Nachbearbeitung des Bauteils Steifigkeit des Formwerkzeuges Schwindung der Matrix bei der Aushärtung Reaktion auf Umwelteinflüsse Bild 13 Fasern in Kunststoffen

15 Lösungsansätze für hochpräzise Bauteile Oberflächengüte (Reinharzzonen, Vermeidung von Porenbildung und Einfallstellen) Relevanz Temperaturgesteuertes Fertigungsverfahren zum Erreichen einer gleichmäßigen Aushärtung Einlaminieren von Metallteilen zur Bereitstellung funktionaler Flächen Entwicklung von Wasserstrahl- und Laserschneidverfahren Auftrag von Lackschutzschichten zum Schutz gegen Umwelteinflüsse Bild 14 Fasern in Kunststoffen

16 Synthesefasern in Faserverbundkunststoffen Quelle: Bild 15 Synthesefasern

17 Einteilung der Verstärkungsfasern Naturfasern Haare, Wolle, Seide, Flachs, Sisal, Hanf, Jute, Ramine, Quelle: ansuela Anorganische Fasern Organische Fasern Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Aramid, Kohlenstoff, Glas, Quarz, SiC, Al 2 O 3, Bor, Asbest, Quelle:carbon-components Quelle: nauticexpo Metallfasern Aluminium, Kupfer, Stahl, Nickel, Beryllium, Wolfram, Quelle: architonic Bild 16 Synthesefasern

18 Synthesefasern Polykondensationsfasern Polymerisationsfasern Polyadditionsfasern Aramid Polyachrylnitril (PAN) Polyester (PES) Polyamid (PA) Polyimid (PI) Polyamidimid (PAI) Polyphenylensulfid (PPS) Polytetraflourethylen (PTFE) Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polyvinylchlorid (CLF) Polyurethan (EL) Bild 17 Synthesefasern

19 Besondere Eigenschaften Vorteile hohe E-Moduli & Zugfestigkeiten geringe Dichte geringe Fertigungskosten Thermoplastizität Nachteile Schlechte Haftungseigenschaften hohe UV-Empfindlichkeit Neigung zur Wasseraufnahme Neigung zum Kriechen Einsatzbereiche Schiffsbau Schutzausrüstung Reifenindustrie medizinische Geräte Bild 18 Synthesefasern

20 Aramidfasern I Herstellung Polykondensation Verspinnung und Reckung einer flüssig-kristallinen Lösung Auftragen einer Schutzschicht (Avivage) für verbesserte Haftung an Epoxidharzen Vorteile besonders hohe Zähigkeit und Widerstand gegen Rissbildung eine der leichtesten Verstärkungsfasern (ϱ = 1,45g/cm³) höher Zugfestigkeit als Glasfaser bessere Dämpfungseigenschaften als C- und G-Faser Rissstopperschicht in Laminaten Nachteile geringe Druckfestigkeit Aufnahme von Wasser Quelle: ssb-shop Bild 19 Synthesefasern

21 Aramidfasern II Nachteile Abbau durch UV-Strahlung die Faser neigt zum kriechen aufwändige Bearbeitung Temperatureinsatz verstärkte Abhängigkeit der Zugfestigkeit von der Temperatur Einsatzbereich von -196 C bis 150 C Quelle: L+R Chemikalienbeständigkeit Wasseraufnahme bis zu 4 Gew.% Reduktion der Zugfestigkeit bei sehr hohen oder niedrigen ph-werten Handelsname Kevlar, Nomex, Twaron oder Technora Bild 20 Synthesefasern

22 PBO-Faser I Herstellung Polykondensation Verspinnung und Reckung der Fasern hoher Orientierungsgrad entlang der Faserrichtung (95%) Vorteile doppelt so hohe Zugfestigkeit und E-Modul wie Aramidfaser anisotropes Verhalten hoher negativer Ausdehnungskoeffizient Nachteile starke Festigkeitsabnahme durch Wasseraufnahme sehr niedrige Druckfestigkeit entlang der Faserrichtung geringe Abrasionsbeständigkeit Quelle: hartung-helmets Bild 21 Synthesefasern

23 PBO-Faser II Temperatureinsatz verstärkte Abhängigkeit der Zugfestigkeit von der Temperatur Einsatzbereich von -200 C bis 500 C Chemikalienbeständigkeit Wasseraufnahme bis zu 0,6 Gew.% kein Angriff der Faser durch Meerwasser gute Beständigkeit gehen Säuren und Basen keine Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften durch Benzin oder Bremsflüssigkeiten Abbau der Fasern durch UV-Licht Handelsname Zylon Quelle: a5oc Bild 22 Synthesefasern

24 Polyesterfaser I Herstellung Polykondensation Verspinnung und Streckung der Fasern hoher Orientierungsgrad entlang der Faserrichtung (95%) Vorteile bekannt aus PET-Flaschen Eigenverstärkung durch kaltverformen und Orientierung der Makromoleküle geringe Dichte (ϱ = 1,35g/cm³) gute Rohstoffverfügbarkeit Licht- und Wetterbeständig geringe Feuchtigkeitsaufnahme gute Verschleißeigenschaften Quelle: tempex Bild 23 Synthesefasern

25 Polyesterfaser II Nachteile schlechte Matrixhaftung Temperatureinsatz Einsatzbereich zwischen -50 C und 100 C Chemikalienbeständigkeit geringe Wasseraufnahme hohe Widerstandsfähigkeit gegen Säuren und Basen geringe UV-Empfindlichkeit Handelsname Diolen, Trivera Quelle: dynatex Bild 24 Synthesefasern

26 Bild 25