Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde
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| Cartes-fiches | 60 |
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| Utilisateurs | 18 |
| Langue | Deutsch |
| Catégorie | Technique |
| Niveau | Université |
| Crée / Actualisé | 09.06.2018 / 03.07.2023 |
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1. Weshalb weist ein unidirectional faserverstärkter Verbundwerkstoffe meist bessere mechanische Kennwerte auf, als die Grundstoffe ?
- Grundwerkstoff unterstützt Faser (Druckbeanspruchung)
- Werkstofffestigkeit ist abhängig von:
—> Belastung
—> Grenzflächenbeschaffenheit (Faser/Matrix)
- Größeneffekt
—> Einfluss einer Fehlerstelle geringer bei abnehmender Größe
- Seil Effekt
—> Verdrehte Bündel haben höhere Festigkeit
- Kleinere Einspannlänge
- Einbringung von Eigenspannung
- Rissstopper Effekt
- Orientierung
2. Nennen Sie jeweils zwei anorganische und zwei organische Synthesefasern.
- Anorganisch:
—> Glasfaser
—> Siliziumoxid
—> Siliziumcarbid
—> Aluminiumoxid
—> Metallfasern
- Organische
—> Kohlenstofffaser
—> Aramidfaser
—> PBO-Faser
—> Polyethylenfaser
3. Weshalb müssen Glasfasern im Verbund mit einer organischen Matrix mit einem Haftvermittler versehen werden ?
- Glasfaser ist anorganisch (keramisch)
- Matrix meist organisch
- Organische und anorganische Stoffe lassen sich ohne Haftmittel nicht verbinden.
3.1 Auf welcher Substanz basieren diese Haftvermittler ?
- Silizium und Wasserstoff
- Silane ist ein Haftmittel das einen organischen und anorganischen Verbindungsarm besitzt.
—> Glasfaser ist anorganisch, Matrix meist organisch um eine Haftung zu diesen beiden Elementen zu realisieren wird ein Haftmittel benötigt.
4. Erklären Sie in wenigen Stichworten die Herstellung der HT- und HM-Kohlenstofffaser. “Ausgangswerkstoff PAN“
(HT=High Tenacity Faser (hochfest, Standard), HM=High Modulus Faser, PAN=Polyacrylnitril)
5. Nennen Sie drei Kohlenstoffmodifikationen und deren Einsatzbereich.
- Graphit
—> Elektroden, Schmiermittel und Bleistifte
—> Kovalente und Van der Waals Kräfte, Kovalenente hexagonal gebundene Kohlenstoffatome formen hochgesteckt Ebenen welche untereinander nur locker über Van der Waals Kräfte gebunden sind.
- Diamanten
—> Schmuck, Spanwerkzeuge (Bohner, Schleifscheiben)
—> Kovalente tetragonal gebundene Kohlenstoffatome
- Fullerene
—> Katalysator, Anti-Aging Creme, Halbleiter
—> Reguläres hexagonales Wabenmuster
- Carbon Nano Tubes
—> Flugzeugbau, Messtechnik, Displays
---- alternativ ---
Diamant: Schneid- / Schleifmittel
Graphit (Grafit): Hauptbestandteil der Kohlenstofffaser, weiteres Beispiel: Elektrodenwerkstoff
Buckminster Fulleren: kugelförmige C-Modifikation => Verstärkung von Polymeren Weitere Modifikationen:
Carbon Nanotubes: röhrchenförmige C-Modifikation => Verstärkung von Polymeren, Beeinflussung elektrische Leitfähigkeit von Polymeren
Graphen (Grafen): flächenförmige C-Modifikation => Verstärkung von Polymeren, Beeinflussung elektrische Leitfähigkeit von Polymeren
6. Was versteht man unter einer MPP-Kohlenstofffaser ?
MPP = Mesophasenpech
Die MPP-Kohlenstofffaser ist eine isotrope Kohlenstofffaser mit geringer Festigkeit, welche in die so genannte Mesophase, durch eine Hydrierungsbehandlung, geführt wird.
Wodurch sich die Kohlenstoffnetzebenen durch Verstreckung, während des Herstellungsprozesses, entlang der Faserachse orientieren.
==> Herstellung von Fasern mit hoher Steifigkeit (HM) und gleichzeitig hoher Zugfestigkeit (HMS) möglich.
--> sehr teuer
alternative Antwort:
- Pech als Abfallprodukt von Erdöl als Matrix für die Kohlefaser
- Kohlenstoffherstellung auf Basis von Mesophasenpech
- Teuer, Hochmodulig
7. Nennen Sie zwei Vor- und Nachteile der Aramidfaser.
7.1 Erläutern Sie einen Anwendungsfall, bei dem die Vor- und Nachteile der Aramidfaser genutzt werden.
Anwendungsgebiete:
- Sicherheitsbereich
—> Splitterschutz und schusssichere Westen
—> Schutzhelme
—> Panzerung für Fahrzeuge
—> Hitzeschutzbekleidung
Sportgeräte:
—> Segel von Segelsportbooten
—> Fangleinen beim Gleitschirm
—> Tennisschläger
Technik:
—> Deckschicht bei Laminaten
—> Borhungen einnähen
—> Luftfahrt
8.
A)
Welche Thermoplaste stecken hinter den Handelsnamen Kevlar und Dyneema ?
B)
Durch welche fertigungstechnischen Maßnahmen werden deren mechanische Eigenschaften optimiert ? (Insbesondere Zugfetigkeit und E-Modul)
A) - Kevlar
—> Aramidfaser (Aromatische Polyamid)
- Dyneema
—> PE-Faser (Kern für Kletterseile)
B) --> Optimieren der Eigenschaften
--> Verstrecken
--> Nassspinnen
--> Extrusion
--> Verlängern und ordnen der Faser-
--> Extrem leicht
--> Molekülketten hoch orientiert
--> Kristallinitätsgrad ca. 85%
9. Erläutern Sie zwei Möglichkeiten der Eigen- und Eigenfaserverstärkung.
1 - Shish Kebab Struktur (Strömungsinduzierte Keimbildung)
2 - Metall Matrices + Al.- Fasern
3 - Dyneema - plastifizieren und verprassen (Gewebe)
4 - Presslaminat - Thermoplast (PP, PE)
5 - Siliziumcarbit Faser/ Matrix
10. Nennen Sie jeweils einen Vor- und Nachteil von Köper-Gewebe.
Köper-Gewebe:
Vorteile:
- Gut umformabr
- Sehr gute Drapierfähigkeit
- Eignet sich besonders für Sichtbauteile
Nachteile:
- Hoher Preis (Handarbeit)
- Faserumlenkung (anfällig für Verschiebung der einzelnen Fasern, da nicht an jedem Kreuzpunkt verschlungen)
- Faserwelligkeit
10.1 Nennen Sie jeweils einen Vor- und Nachteil von Gelege.
Gelege:
Vorteile:
- Unterschiedliche Faserordnung für optimale Ausnutzung der mechanischen Eigenschaften, gezielter Kraftschluss
Nachteile:
- Handarbeit
- Teuer und aufwendig bei maschineller Fertigung
- Schlechte Drapierfähigkeit
10.3 Nennen Sie jeweils einen Vor- und Nachteil von Wirrfasermatten.
Wirrfasermatten:
Vorteile:
- Leicht herzustellen
- Kostengünstig
- Isotropie (ist die Unabhängigkeit einer Eigenschaft v. d. Richtung)
Nachteile:
- Schlecht maschinell zu verarbeiten
- Keine optimale Faserauslastung
- Geringe Festigkeit
10.4 Nennen Sie jeweils einen Vor- und Nachteil von 3D-Gewebe.
3D-Gewebe:
Vorteile:
- Leicht zu verarbeiten
- Maschinell erzeugt
- Gute Drapierbarkeit
- Hohe Laminatsteifigkeit
- Hohe Schadenstoleranz
- Energieabsorbationsvermögen durch Fasern in Z-Richtung deutlich besser
- Out-of-plane Eigenschaften
Nachteile:
- Teuer
- 3D Textielverfahren sind langsam (geringe Produktivität)
- Teilweise deutlich schlechter in-plane Eigenschaften durch Faserwelligkeit
11. Was versteht man unter dem Begriff “Preform” und “Prepreg” ?
Preform:
- Grünling, Rohling, Vorformling
- Gelege werden mittels Thermoplast fixiert (heißpressen/ vernähen)
- Endkonturnahes Gewebe wird mit RTM zum fertigen Bauteil weiterverarbeitet
- Trocken textil Faserhalbzeug
- Umformen / Nähtechniken
Prepreg:
- Vorimpregnierte Fasern
- Flächige Halbzeuge, bestehend aus Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunstoffmatrix
- Kann als reine unidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege auftreten (bahnförmig) auf rollen gewickelt.
- Kühl lagern, Haltbarkeit beachten
12. Nennen Sie jeweils drei “duromere” und “thermoplastische” Matrixstoffe.
Duromere:
- Ungestättigtes Polyesterharz
- Vinylesterharz
- Epoxidharz
- Phenolharz
- Silicone
Thermoplastische:
- Polypropylen
- Polycarbonat
- Polyethylen
- Polyamid
- PET
13. Auf was muss bei der Verarbeitung einer teilkristallinen im Vergleich zu einer amorphen Matrix geachtet werden? Erläutern Sie dies beispielhaft an den Thermoplaten PEEK und PEI.
PEEK: (teilkristalliner high temperature Thermoplast)
- Kristallwachstum kritisch, großes Korn, spröde, leicht zerspanbar, großer Schund bei der Erstarrung teilkristalliener thermoplastischer Masse, schlechte Oberflächenqualität.
- Optimale Abkühlgeschwindigkeit beachten, intensive Kühlung des Werkzeuges erforderlich.
—> Schnell abkühlen, amorphe Bereiche
—> Langsam abkühlen, entstehen hohes Kristallwachstum
PEI: (amorpher high temperature Thermoplast)
- Kristallwachstum unbedenklich, da amorph
- Phasenübergnag fehlt beim Aufheizen oder Abhühlen im Gegensatz zu PEEK, da amorph.
- Kein zusätzlicher Wärmebedarf oder Wärmeabfuhr nötig
- geringere Dichte, daher Verarbeitungsschwindung geringer (0,4% - 0,8%), als bei PEEK (1,5% - 2,5%).
14. Nennen Sie zwei keramische Matrixes und zwei Keramikfaserwerkstoffe.
Keramische Matrix
- Aluminiumoxid (Al203)
- Siliziumcarbid (SiC)
Keramikfaserwerkstoff
- Siliziumoxid
- Silizumcarbid
- Aluminiumoxid (Glasfaser)
16.
A)
Zeichnen Sie vereinfachtden Autoklavenzyklus zur Fertigung eines duromeren Faserverbundes.
B)
Wie verläuft die viskosität in Abhängikeit der Temperatur und Zeit ?
C)
Erläutern Sie in Stichworten, den Tempeatur, Vakuum, Druckverlauf in Abhängikeit der Viskosität.
A: Siehe Bild
B: Viskosität sinkt zunächst und nimmt mit einsetzen der Druckphase und erhöhung der Temperatur zu.
C:
Temperatur richtet sich nach Bauteilgröße
--> Aufheizen
--> Chemische Reaktion startet
--> Viskosität sinkt
--> Vakuum Konstant (Vermeidung von Lunkern)
--> Viskosität Tiefpunkt erreicht
--> bei Temperatur Maximum mit Druckzufuhr steigt Viskosität steil an
alternativ:
T1.) Vakuum konstant,Temperatur anstieg, Viskosität sinkt,
T2.) Vakuum konstant,Temperatur konstant, Druck zunahme, Viskosität erhöt sich
T3.) Vakuum konstant,Temperatur anstieg, Druck konstant, Viskosität erhöt sich weiter, Harz härtet ohne Luftblasen aus
17. Erläutern Sie zwei Möglichkeiten zur Herstellung von Prepregs.
- Lösemittelimprägnierung (Fasern werden in Harz/ Lösemittel geträngt/ eingetaucht)
--> Roving in Harz und Lösemittelbad getränkt
--> Roving in Trockenraum
--> Verflüchtigung der Lösemittel
--> Schutzfolien-Aufbringung bei Matrix
--> Trägerfolie
--> Als Prepreg auf Vorratsrollen aufwickeln
- Schmelzimprägnieren (Imprägnierung über Harzfilmrollen)
--> Fasern werden durch Temperatur und Druck an Harzfolienrollen imprägniert
--> Anschließend aufrollen
18. Nennen Sie jeweils zwei Vor- und Nachteile:
Fertigung eines Faserverbund-Bauteils in duromerer Bauweise im Vergleich zu einer thermoplastischen Bauweise.
Duromer:
- Vorteile:
--> Stabile Vernetzung
--> Große Temperaturbeständigkeit
--> Einfache Herstellung
--> Festigkeit
--> Geringe Kriechneigung
- Nachteile:
--> Dreidimensional vernetzt (kein aufschmelzen möglich, nicht Schweißbar)
--> Nach aushärtung keine Veränderung der Form mehr möglich (Schrumpfen, Zerbröseln, kein Umformen)
--> Geringe Schlagzähigkeit
--> Große chemische Kenntnisse notwendig
Thermoplast:
- Vorteile:
--> Schweißbar
--> Höhere Zähigkeit
--> Recyclebarkeit
--> Importverhalten sehr gut
--> Großserien möglich
-Nachteile:
--> Kriechen
--> Geringe Festigkeit/ Steifigkeit
19.
A) Nennen Sie drei Fertigungstechnologien zur Herstellung von kontinuierlich
verstärkten Faserverbundbauteilen.
B)
Nennen Sie jeweils zwei Vor- und Nachteile.
Fertigungstechnologie
- Nähtechnologie
- Multiaxiale Gelege
- Geflecht + RTM
- Handlaminieren
- RTM
- Autoklav
- Wickeln
- Prepreg
20. Worin besteht der Unterschied zwischen „klassischem“ RTM und „Thermoplast“ -RTM?
- RTM = Resin Transfer Moulding
Im Vergleich zum Pressen wird hierbei die Formmasse mittels Kolben von einer meist beheizten Vorkammer über Verteilerkanäle in das Formnest eingespritzt, worin sie unter Wärme und Druck aushärtet
- Klassischem RTM
o Reaktion findet statt
o Polymerisation - In situ polymerisation
o Harz + Härter
o Epoxid in injizieren
o Duroplast
- Thermoplast RTM
o Prepolymere
o Chemische Reaktion
o Lange Molekühlketten werden durch Prozess noch länger, Thermoplast wird aufgebaut
o Kein Schmelzprozess
o In Form injizieren
21.
Erläutern Sie in wenigen Stichworten drei Fertigungstechnologien zur Produktion
von thermoplastischen Faserverbunden.
1. Thermoplastische Prepregs
- Thermoplastische Fasern werden in Gewebe eingewoben. Beim Erhitzen schmelzen dies. Dadurch werden die Fasern getränkt.
2. Organoblech
- Thermoplastische Halbzeuge (C-Faserverstärkt) durch Erwärmung und Druck umformbar
3. Thermoplastisches RTM
- Thermoplast Präpolymer, durch chemische Reaktion werden aus langen Ketten, noch längere. Thermoplast in Form injiziert
22. Ein Aluminiumblech-Karosserieleichtbauteil (Einsatzgebiet Pkw) soll durch ein CFK-Bauteil ersetzt werden. Was muss beachtet werden?
(konstruktiv / gestalterisch, Einsatz des Produktes, …)
- Wärmeausdehnung
- Korrosionsschutz
- angepasste Steifigkeit
- Crash-Kriterien
=>Duktilität, Sprödbruchverhalten
- Aramidfäden, Glasfaserschicht, Thermoplast (Polyester-Fließe)
=> Schützen vor Splittern bei Crash
- Fasergerechte Konstruktion => Zugbeanspruchung
- Mind. 25 % Gewichtsreduktion bei gleicher Konstruktion
- Metalleinlegeteile zur definierten Lasteinleitung
- UV-Strahlen schädigen Faser => lackieren
- Temperatureinflüsse beachten
23. Erläutern Sie die Begriffe Isotropie / Anisotropie.
•Isotropie:
gleiche physikalische Eigenschaften in allen Raumrichtungen
•Anisotropie:
„Gegenteil“
=> unterschieden wird weiterhin:
- Orthotropie (in 90° Richtung unterschiedliche Eigenschaften) und
- Monotropie (transverse Isotropie, ist eine spezielle Art der Richtungsabhängigkeit eines Materials, in Ebenen, die nicht senkrecht zur Vorzugsrichtung sind, ist das Kraft-Verformungs-Verhalten des Materials richtungsabhängig.)
24. Nennen Sie drei Berechnungskriterien zum mechanischen Verhalten eines
Laminates.
•Steifigkeitsberechnung: Bildung von Mittelwerten => „verschmieren“
•Festigkeitsberechnung:
- Auswirkungen der Laminateinzelschichten ES auf das Bruchverhalten.
- Sprungartiger Wechsel der Spannungen von Schicht zu Schicht.
- Berechnung von Mittelspannungen / Mitteldehnungen pro Schicht.
•Verformungsverhalten mit aktuellen Berechnungsverfahren nicht vorhersehbar.
25. Wie lauten die Kriterien zum Laminatentwurf mit der Netztheorie.
•Nur Fasern tragen Zug- und Druckkräfte.
•Matrix wird vernachlässigt.
•Spannungen verlaufen parallel zu den Fasern.
•Nur der ebene Spannungszustand kann abgebildet werden.
•Ideale UD-Schichten.
•Hauptnormalspannungen bestimmen das Koordinatensystem zur
•Kennzeichnung der Schichtwinkel.
26. Wie läuft die Berechnung in der Einzelschicht qualitativ ab (Mikromechanik).
•Parallelschaltung der Fasern => gleiche Dehnungen
–Bruchdehnung der Faser
–Bruchspannung proportional zum Faservolumengehalt
•Quer zur Faser: Reihenschaltung => gleiche Spannung
–Bruchdehnung der UD-Schicht erheblich reduziert
–Matrix muss Schichtverformung auf kleiner Strecke übertragen => Dehnungsüberhöhung in der Matrix.
27.
A)
Welche Kennwerte können mit der Mischungsregel, bzw. den Modellen von Chamis, bzw. Puck einfach berechnet werden?
B)
Was ist zu beachten?
A)
–E-Modul
–G-Moduln
–Querkontraktion 12
–Wärmeausdehnungsverhalten
B)
•gilt nur für die Einzelschicht!
28. Nennen Sie die wichtigsten Konstruktionsregeln zum
Aufbau eines Laminates.
•Die Einzelschicht mit der niedrigsten Zwischenfaserbruchgefahr auf die Aussenseite des Laminates legen.
•Abwechselnde Anordnung der Einzelschichten.
•Möglichst geringe Differenzen der Orientierungswinkel.
•Keine Werkstoffe mit unterschiedlichen E-Moduln kombinieren (bezieht sich auf die Mischung der Einzelschichten).
•Laminat symmetrisch aufbauen.
29. Wie lauten die Voraussetzungen der klassischen Laminattheorie CLT.
•Matrix und Faser beteiligen sich an der Lastübertragung.
•Modellierung des Laminats aus Einzelschichten.
•Die Schichten sind ideal miteinander „verklebt“.
•Gilt für dünne Laminate.
•Konstante Laminatdicke.
30. Nennen Sie qualitativ die Lagenaufbauten der dargestellten Deformationsbilder.
a) ausgeglichener Winkelverbund [+45 / - 45]
b) Kreuzverbund [0/90]
31. Kleben: Nennen Sie zwei Verfahren, um die Klebefähigkeit eines GMT mit PP-Matrix zu verbessern (z.B. Klebstoff 1K EP).
•Corona-Verfahren
•Plasmatreat
32. Nennen Sie drei technische Klebstoffe und deren Besonderheiten.
•Phenolklebstoff: Flugzeug- / U-Bahnbau => flammwidrig, geringe Rauchentwicklung
•2K-Epoxidklebstoff: universeller Konstruktionsklebstoff, Dünnschicht
•PU-Klebstoff: z.B. Dickschicht, gummielastisches Materialverhalten, Spaltüberbrückung
33. Was ist bei der Klebfugengestaltung zu beachten.
•Klebefugen in niedrigbelastete Zonen legen („Spannungsschatten“)
•Steifigkeitssprung meiden / Spannungsspitzen mindern, z.B. schäften
•Fügezone wartungsfreundlich gestalten
34. Sie sollen eine Hybridklebung zwischen einem hochsteifen CFK-Laminat (t=5mm) und einem Aluminiumkarosserieblech EN AW 6xxx (t=1,5mm) realisieren. Wie ist vorzugehen?
•Steiferes Material schäften: d.h. CFK-Laminat.
•Oberfläche CFK entfetten, Matrix mechanisch „anschleifen“ / Oberfläche
•Aluminium z.B. phosphorsäureanodisieren.
•Optimale Überlappungslänge berechnen.
35. Leiten Sie vereinfacht die optimale Überlappungslänge einer Verklebung her. Was ist zu beachten?
Optimale Überlappungslänge:
Fügeteil: \(F_{BF} = R_m * b * t\)
Klebstoff: \(F_{BK} = \tau_B * b * l_ü\)
mit \(F_{BF} = F_{BK}\)
==> > \( l_{üopt} = \frac{R_m*t}{\tau_B}\)
Bei duktilen metallischen Werkstoffen: \( l_{üopt} = \frac{R_{p0,2}*t}{\tau_B}\)
