Faserverbundwerkstoffe Chancen und Herausforderungen

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1 Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Faserverbundwerkstoffe Chancen und Herausforderungen Suppliers Convention am 24. April Hannover-Messe 2012 Folie 1

2 Eine historische Werkstoff-Frage natürlich wussten auch die nicht sehr hellen Neandertaler, dass dieses Ding vermutlich nie fliegen würde. Aber allein die Vorstellung versetzte sie in einen Zustand rasender Begeisterung Quelle: Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung Traxlers Galerie, ca Folie 2

3 Arten des Leichtbaus Materialleichtbau Strukturleichtbau Systemleichtbau Hochfeste Stähle Leichtmetalle Verbundwerkstoffe Rahmenbauweise Wabenstrukturen Topologieoptimierung Funktionsintegration Funktionserweiterung Funktionsminimierung Sandwichstrukturen Funktionsverlagerung Materialmix Multifunktionale Bauteile Folie 3

4 Der Werkstoffbaum Quelle: Werkstoffe.de Folie 4

5 Werkstoffauswahl? Aber welcher Werkstoff ist für welche Anwendung geeignet? Folie 5

6 Konfuzius sagt Der Mensch hat dreierlei Wege klug zu handeln: Erstens durch nachdenken, das ist der edelste, zweitens durch nachahmen, das ist der leichteste, und drittens durch Erfahrung, das ist der bitterste. Folie 6

7 Bittere Erfahrungen Quelle: Gutsch Verlag Folie 7

8 Verbundwerkstoffe Eine Nachahmung der Natur Holzstruktur Technischer Verbundwerkstoff REM-Aufnahmen von Holz Folie 8

9 Definition der Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe sind eine Kombination von zwei oder mehr Werkstoffen, die sich in Form oder Zusammensetzung unterscheiden, um gegenüber den Einzelwerkstoffen verbesserte Eigenschaften zu erzielen. Beispiel: Faserverbundwerkstoffe Faserverbunde bestehen aus Fasern und einer umgebenden Matrix. Die mechanischen Eigenschaften des Verbundes können durch Orientierung der Fasern maßgeschneidert werden. Z Y: 90 X: 0 Folie 9

10 Faserarten in FKV Kohlenstofffaser Glasfaser Aramidfaser Sisal Hanf Flachs Folie 10

11 Matrixwerkstoffe Duromere Thermoplaste PMI BI PI Hochleistungskunststoffe /kg PEI PSU PEEK PEK EP PF SI Technische Kunststoffe 2 5 /kg PC PA PET ABS PBT POM PMMA PF PAN UP VE PUR MF Massen Kunststoffe 1 2 /kg PS PE PP PVC SB CA Folie 11

12 Eigenschaftsspektrum von Leichtbaumaterialien Eigenschaftsspektrum bei Zugbelastung Festigkeit (GPa) E-Modul (GPa) GFK-UD 1) 1,1 2.8 < 60 GFK-MD 1) < 0,7 < 15 CFK-UD 1) CFK-MD 1) 0, Mg 0,22 45 Al < 0,5 70 Ti < 1, ) Fasergehalt 60 Vol.-% Quelle: Flemming, Ziegmann, Roth, 1997 Folie 12

13 Anwendung von Verbundwerkstoffen nach Zielen Verbundwerkstoffe eignen sich für Leichtbau Gewichtsspezifische Eigenschaften Studiendepartment Fahrzeugtechnik Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau und Flugzeugbau Prof. Dr.-Ing. Ulrich Ulrich Huber Huber Folie 13

14 Cliphebel für die Lebensmittelproduktion Hochdynamisch belastetes Bauteil zum Schließen von Wurstclips Ziel: Reduktion der bewegten Masse Cliphebel aus CFK Finite Elemente Analyse Quelle: ADETE-GmbH Kaiserslautern Folie 14

15 Anwendung von Verbundwerkstoffen nach Zielen Verbundwerkstoffe eignen sich für Leichtbau Gewichtsspezifische Eigenschaften selbstadaptierende Strukturen Einstellbar anisotrope Eigenschaften Studiendepartment Fahrzeugtechnik Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau und Flugzeugbau Prof. Dr.-Ing. Ulrich Ulrich Huber Huber Folie 15

16 Selbstadaptierender Tragflügel Lastabhängig Selbstanpassender Tragflügel Ziel: Reduktion aktiver Komponenten Flügelanpassung beim Vogelflug Selbstregulierendes System in der Natur Flügelanpassung durch anisotrope FKV Stammquerschnitt mit Reaktionsholz auf der Druckseite Folie 16

17 Anwendung von Verbundwerkstoffen nach Zielen Verbundwerkstoffe eignen sich für Leichtbau Gewichtsspezifische Eigenschaften selbstadaptierende Strukturen Kosteneinsparung (!) Einstellbar anisotrope Eigenschaften Hochintegrierbare Fertigung Studiendepartment Fahrzeugtechnik Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau und Flugzeugbau Prof. Dr.-Ing. Ulrich Ulrich Huber Huber Folie 17

18 Frontend aus langfaserverstärktem Thermoplast Komplexes Frontend zum Einsatz in Nutzfahrzeugen (NFZ) Ziel: Reduktion der Fertigungskosten faserverstärktes Kunststoffgranulat Fertigungspresse NFZ-Frontend Quelle: Ticona/IVW GmbH Folie 18

19 Anwendung von Verbundwerkstoffen nach Zielen Verbundwerkstoffe eignen sich für Leichtbau Gewichtsspezifische Eigenschaften Energieabsorption Versagensverhalten selbstadaptierende Adaptronik Strukturen Kosteneinsparung (!) Einstellbar anisotrope Eigenschaften Hochintegrierbare Fertigung Studiendepartment Fahrzeugtechnik Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau und Flugzeugbau Prof. Dr.-Ing. Ulrich Ulrich Huber Huber Folie 19

20 Hochleistungs-Energieabsorber für PKW Crashelement für sportliche PKW Ziel: Erhöhung der spezifischen Energieabsorption CFK-Crash-Element Quellen: RTL, Daimler AG Folie 20

21 Verbundwerkstoffe Werkstoffe der Zukunft? Nach einem langem Entwicklungsprozess und enormen Ressourceneinsatz scheinen Verbundwerkstoffe heute optimal zu sein für exzellente, leichte, multifunktionale und hochgradig adaptierbare Strukturen Quellen: Airbus, Porsche, Canyon Folie 21

22 Verbundwerkstoffe Werkstoffe der Zukunft? Verbundwerkstoffe sind erheblich schwerer beherrschbar als isotrope (z.b. metallische) Werkstoffe! Hamburger Abendblatt, Airbus A380 Tragflächen-Risse offenbar Produktionsproblem Beispielhafte Gründe: mehr Werkstoffparameter geringeres Wissen verfügbar aufwändigere Berechnung höherer Prüfaufwand Mit dem komplizierten Fertigungsprozess, bei dem die Grenzen angetestet worden seien, erklärt Hersteller Airbus die Risse in den Tragflächen vieler Exemplare des Riesenvogels. Fast ein Drittel der Flieger muss aufwändig untersucht werden... Focus Online, Folie 22

23 Aktuelle Herausforderungen - Modellierung Komplexizität niedrig hoch homogen Metall Simulation: inhomogen Keramik Polymer Beton Verbundwerkstoffe präzise Vorhersage des statischen und dyn. Verhaltens Herausforderungen: Werkstoffparameter, komplexe Versagensmodelle Phänomene Dynamisches Versagen, Nachversagensverhalten Elastisches Verhalten Materialien dynamische Last, Wellenaus-breitung, plastisches Fließen, Druckverhalten statische Last, Plastizität, Rissausbreitung nach: K. Thoma Folie 23

24 Aktuelle Herausforderungen - Fertigung Handlaminieren Aushärtung im Autoklaven Klassische Faserverbundtechnologie: zu teuer, zu zeitaufwändig Folie 24

25 Aktuelle Herausforderungen - Fertigung trockene Verstärkungsfaser Resin Transfer Moulding p Fertiges Bauteil Preform Werkzeug schließen Harzsystem injizieren Druckinjektionsverfahren: Kurze Zykluszeiten, hohe Automatisierbarkeit Herausforderungen: Qualität, mechanische Eigenschaften, Handhabung Folie 25

26 Aktuelle Herausforderungen - Monitoring Defekte? Überlastung erkennbar! Schaden nur im Ultraschall erkennbar! Strukturüberwachung: Vielzahl von Methoden verfügbar Herausforderungen: Online Monitoring und Zustandsüberwachen von Strukturen Folie 26

27 Zusammenfassung Faserverbundwerkstoffe sind bewährte Leichtbauwerkstoffe mit erheblichem Zukunftspotenzial. Vorrangige aktuelle Entwicklungsziele sind Verständnis und Simulation des Werkstoffverhaltens, Verringerung der Kosten sowie moderne Fertigungs- und Monitoring-Verfahren. Faserverbundwerkstoffe stehen immer im harten Wettbewerb mit anderen Werkstoffen. Schlüssel für den Einsatz ist und bleibt die Kosten/Nutzen Relation. Folie 27

28 Konfuzius sagt Gib einem Mann einen Fisch und du ernährst ihn für einen Tag. Lehre einen Mann zu fischen und du ernährst ihn für sein Leben. Folie 28

29 Kontakt Faserverbund- und Sandwichtechnologie Postanschrift HAW-Hamburg Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau Berliner Tor Hamburg Mail: Net: ulrich.huber@haw-hamburg.de Phone: (040) Fax: (040) Folie 29