Kunststofftechnik 2 (Fach) / Faserverbundwerkstoffe 1 (Lektion)

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• Warum Fasern im Werkstoff? Paradoxa? 1. Paradoxon des festen WerkstoffsDie wirkliche Festigkeit eines festen Werkstoffes ist sehr viel niedriger alsdie theoretisch berechnete. (F. Zwicky) 2. Paradoxon der FaserformEin Werkstoff in Faserform hat eine vielfach größere Festigkeit als dasgleiche Material in anderer Form und je dünner die Faser, um so größer ist die Festigkeit. 3. Paradoxon der EinspannlängeJe kleiner die Einspannlänge, um so größer ist die gemessene Festigkeit einer Probe/Faser.(fehlerwahrscheinlichkeit... bei guter einbettung -> einspannlänge = NULL!) 4. Paradoxon der Verbundwerkstoffe                                                   Ein Verbundwerkstoff kann als Ganzes Spannungen aufnehmen, die die schwächere Komponente zerbrechen würden, während von der stärkeren Komponente im Verbund ein höherer Anteil seiner theoretischen Festigkeit übernommen werden kann, als wenn sie alleine belastet würde.  
• 8 Vorteile von FVK weitgehend elastisches Verformungsverhalten hohe, an Belastung anpassbare Festigkeit undSteifigkeit hochintegrative Gestaltungsmöglichkeit hohe dynamische Belastbarkeit mit erhöhtermechanischer Dämpfung niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient hohe Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit gute Rohstoffbasis vielfältige, maßgeschneiderte Kombinationsmöglichkeiten von Matrix und Fasern
• 8 Nachteile von FVK Vielzahl von Varianten bei der Zusammensetzung kein Standardverbundwerkstoff schwierige zerstörungsfreie Materialprüfung, geringe Zugfestigkeit senkrecht zur Faser mögliches katastrophales Versagensverhalten hoher Aufwand beim Auslegen anspruchsvollerKonstruktionen empfindlich gegenüber heißer Feuchtigkeit lokale Beschädigungen schwer zu erkennen(z.b durch Stoß)
• Definition Fasern und grobe Einteilung mit Beipsielen Fasern sind stabförmige Körper, meist mit Kreisquerschnitt und mit einem sehr großen Verhältnis von Länge / Dicke. Am Beispiel Glas Unterschiedung in: Kurzglasfaser 0,1 -1mm:       Granulat Langglasfaser 1 - 50mm :   GMT,Vliese Endlosfaser >50mm:       Gewebe,Rovings
• Nenne 4 verschiedene Faserarten mit je 3 Beispielen: Naturfaser (Flachs, Sisal,Jute) Organische Fasern ( Kohle, Aramid,PP, PE) Anorganische Fasern (Glas, Quarz,Asbest) Metallfasern (Stahl,Alu,Kupfer...)
• Welche Auswirkung hat Temperaturerhöhung auf die Zugfestigkeit von Glasfasern im Allgemeinen? Die Zugefestigkeit nimmt mit erhöhter Temperatur ab! Spezielle Gläser wie R(esistance) und S(trenght) - Glasfasern haben auch bei hohen Temp auch noch gute mech. Werte!!!
• Nenne 5 verschiede Spezial-Arten von Glasfasern: E-Glas(electrical) ;    hervorragender ele. Isolator R,S-Glas(resistance, strength):    höhere mech. Eig C-Glas(Chemical):   bessere Säurebeständigkeit ECR-Glas(electr.+chem.):  korrosionsbest. AR-Glas (alkali resistant): besonders alkaliresistent -> Beton
• Beschreibe ein Fertigungsverfahren von Glasfasern: DÜSENZIEHVERFAHREN: Aufbau zeichnen: Beschickung, SChmelzofen, Homogenisierung, Vorherd, SChlichte aufsprühen, Fadenwicklung   2000-4000 Düsenartige Öffnungen aus denen Glas herausfließt, ca. 2mm Anschließend verstrecken auf gewünschten Durchmesser!Aufgaben der Schlichte:Verkleben der Filamente zu handhabbaren Spinnfaden, Schutz der Oberfläche, HAftungsverbesserung, Anpassung an Verarbeitungsprozess
• Nenne 4 besondere Eigenschaften von Glasfasern: Isotrop: Werkstoffeig. in und quer zur Faserrichtugn E-Modul der Fasern ca. so hoch wie bei Alu, Zugfestigkeit deutlich höher als Stahl. geringe Wegen geringer Dichte-> große Leichtbaueignung unbrennbar, feuersicher niedrigerer thermischer Ausdehnungskoeffizient als andere Konstruktionswerkstoffe
• Definition von Aramidfasern und Kennzeichen? Ar(omatische Poly)amid. Aufbau aus linearen organischen Polymeren mit hoher Festigkeit und Steifigkeit   Kennzeichen:  - Starre Hauptkette, Wasserstoffbrückenbindung zw. Hauptketten
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• Unterschied zwsichen "normalen" organischen Fasern und Aramidfasern? bei normalen Fasern : amorphe Bereiche, Kettenverschlaufung/Faltung Bei Aramid wird durch Heißverstrecken und Spinnen hoher Orientierungsgrad, Zugfestigkeit,Emodul,Glastemp erreicht. Außerdem ist Aramid nicht spröde!!!
• 8 Eigenschaften von Aramidfasern: eigen zu Wasseraufnahme ( senk Steifigkeit, Haftung zwischen Fasern und Matrix) leichteste Verstärkungsfaser starke Anisotropie !!! Druck sehr viel niedriger als Zug!! Daher eignen sie sich für zugbeanspruch. Leichtbauteile, nicht aber für Biege, oder Druck Leichtbauteile Energiereiche Strahlung(zb UV) -> Festigkeitsabfall nicht besonders Tempfest, ABER sie schmelzen nicht -> feuerfest schlechtere Haftung als bei anderen Fasern schlechte spanende Bearbeitung
• erkläre die Grundlage der C-Faser Herstellung Ausgangsmaterial: PolyAcryNitril, Pech, Rayon BSP PAN:PAN-Faden - Strecken(Orientierung), -> OXIDATION(dehydrierung) - > CARBONISIERUNG(Pyrolyse = verkohlung) -> GRaphitierung(durch diese zusätzlich Wärmebehandlung > höherer Emodul) -> Oberflächenbehandlung -> Spule...
• Wovon sind die Eigenschaften einer C-Faser vor allem abhängig? Winkel zwischen Faserachse und Kristallstruktur!thermisch, mechanisch, elektrisch... bsp. : hochfest: Schichtebenen vorwiegend parallel zur Achse, geringe Fernordnung hochmodul Faser:Schichtebenen vorwiegend parallel, gute Fernordnung
• Besteht ein Zusammenhang zwischen elektrisch. Widerstand und Zug-Emodul bei C-Fasern? Auffällig:  höherer Zug-Emodul führt zu einem geringerem spez. ele. W. GRUND: höhere Temp bei Faserherstellung -> Bessere Fernordnung -> kleinerer Winkel zwischen Faserachse und Kristallrichung
• Nenne 8 besondere Eigenschaften von C-Fasern: progressives Spannungs-Dehnungsverhalten ( Emod steigt mit Belastung) hochfest/steif bis 500° außerordentlich korrosionsbeständig gut thermisch/elektrisch leitend keine Radarreflexion /guter Strahlendurchgang strak Anisotrop Bei Lagerung : Aushärten der Oberfläche - unflexible Fasern C-Faser fast dauerschwingfest
• Naturfasern: Welche eignen sich zur Kunststoff-Verstärkung? Vorteile/ Herausforderungen? Eignung: Nur pflanzliche aus Zellulose aufgebaute Fasern Vorteile: geringes spez. Gewicht, Eigener Brennwert bei Recycling   Herausforderungen: Feuchtigkeitsempfindlichkeit, Begrenzte Faserlänge, Matrixauswahl schwierig, wegen thermisch induzierter Zersetzung der Fasern, etc. Wachstumsbedingung -> Eigenschaften...
• Textile Aufbereitung: Nenne die wichtigsten Glasfaserverstärkungen: Roving ( 20-60 annähernd parallele nicht verdrehte Spinnfäden(bis zu mehrere hundert Elementarfäden)) Endlosmatten(regellos mit Binder verbundene Spinnfäden) Filamentgewebe ( aus Glasgarnen(leichte Drehung der Spinnfäden) oder Glaszwirnen(starke Drehung))
• Definition Gewebe: Gewebe sind Flächengebilde aus sich rechtwinklig kreuzenden KettundSchussfäden mit daher bidirektionaler Verstärkungswirkung.   Kettfäden (längrichtung) Schussfäden senkrecht dazu
• Definiere die Begriffe Fadenflottierung, Fadennondulation, Drapierbarkeit Flottierung: Wird ein Faden über mehrere mögliche Verkreuzungsstellen nicht verkreuzt, so spricht man von Flottierung Nondulation ist der Grad der Welligkeit von Kett und Schussfäden Drapierbarkeit ist die sphärische Verformbarkeit ohne Faltenbildung
• Nenne 3 verschiede Bindungsarten von Geweben und deren Eigenschaften: Leinwandbindung: sehr enge Verkreuzung von Kett und Schussschlecht drapierbar, hohe Fadennondulation, gute Verschiebefestigkeit, geringes Ausfransen beim Zuschneiden Körperbindung: überspringen von 2-3 Kettfäden, gut drapierbar, schmiegsam, höhere Festigkeit durch geringere Fadenablenkung Atlasbindung(satinbindung), Überspringt bis zu 7 Kettfäden, sehr gut drapierbar, für sphärische Formteile, besonders glatte Oberfläche, Anfällig für Fadenverschiebung
• Welche Arten von Gelege gibt es? UD-Gelege, Bänder aus parallel angeordneten Rovings, durch Klebevliese zusammengehalten, Volle Faserverstärkungsausnutzung!   Multiaxialgelege
• Gestricke/Gewirke: Definition + Eigenschaften Gestricke/Gewirke sind textile Flächengebilde, die aus einem oder mehreren Fadensystemen durch Maschenbildung hergestellt werden!Flexible Methode zur herstellung von textilen Flächengebilden   ABER:nur geringere mech. Eigenschften (fasern nicht immer in Lastrichtung) geringere Fasergehalte als bei Gewebe/Gelege, da vielfältigere Faserorientierung
• Flechtschläuche : Arten, Vorteil Litzengeflecht, Rundgeflecht...   Vorteil: nahezu fornmtreue Halbzeuge / Preforms ( "near net" "net shape manufacturing")
• Zusammenfassung der textilen Halbzeugarten (7 Stück mit +/-) Gelege (optimal gestreckte Fasern // schlecht Drapierbar/Handhabbar) Gewebe ( gut Drapierbar, große Flächen, Billige herstellung // gekrümmte Fasern, schwierige Handhabung) Gestricke/Gewebe (Extrem hohe drapierbarkeit, billig // stark gekrümmte Fasern, geringer Faservolumengehalt Geflechte ( einstellbare Faserwinkel, gut Drapierbar, billig, schnelle Herstellung // gekrümmte Fasern, Halbzeugdurchm. begrenzt) MultiaxGewebe (optimal gestreckte Fasern, einstellbare Faserwinkel, grosse Fläche möglich // schlechte Drapierbarkeit) 3D-Gewebe (erhöhter Delaminationswiderstand, Verstärkung in 3. Raumrichtung // gekrümmte Fasern, schlechte Drapierbarkeit, teuer) 3D-Geflechte ( begrenzt einstellbare Faserwinkel, Geometrie fast beliebig einstellbar (( gekrümmte Fasern, Halbzeuggröße stark begrenzt, langsame, teuere Herstellung )
• Zeichne schematisch verschiedene Fasern in ein Spannungs-Dehnungsdiagramm ein. VE02 S. 54
• Nenne die 4 wesentlichen Aufgaben der Matrix (3 weitere): Kräfte in Fasern einleiten K. von Faser zu Faser überzuleiten geometrische Lage der Fasern und die äußere Gestalt des Bauteils sichern Fasern vor Umgebungseinflüssen schützen   Übertragung von Kräften quer zur Faserrichtung Stützen der Fasern bei Druckbeanspruchung in Faserrichtung gegen Knicken Zähe Matrixsysteme wirken als Rissstopper
• Nenne 6 Anforderungen an Matrixsysteme ausreichend hoher Emodul hohe Bruchdehnung ( ca. 2x e(faser)) niedrige Verarbeitungsschwindung niedrige thermische Ausdehnungskoeff niedrige Verarbeitungstemperatur hohe Klebfestigkeit
• Welchen Vorteil haben Reaktionsharze gegenüber Thermoplastischen Matrixsystemen? meist niedermolekular -> vielfach bei RT flüssiger als Thermopl. Schmelze
• Welchen Vorteil haben Reaktionsharze gegenüber Thermoplastischen Matrixsystemen? meist niedermolekular -> vielfach bei RT flüssiger als Thermopl. Schmelze
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• Begriffklärung: Definiere die Begriffe Reaktionsharz, Reaktionsmittel, Reaktionsharzmasse: Reaktionsharze bilden diejenige Gruppe der Duroplaste, die zumüberwiegenden Teil in der Faserverbundtechnologie eingesetzt wird. flüssige oder schmelzbare Harze, die mit oder ohne Reaktionsmittel (härter oder beschleuniger) ohne Abspaltung flüchtiger Komponenten durch Polyaddition, oder Merisation härten (Anders als die KONDANSATIONSHARZE). nieder Viskos -> gut tränkbar!   Reaktionsharzmassen sind verarbeitungsfertige Mischungen einesReaktionsharzes mit den erforderlichen Reaktionsmitteln (härter, Beschleuniger, u.a.), mit oder ohne Füllstoffen, ggf. mit ösungsmitteln, jedoch ohne Verstärkungsfasern  
• 4 Eigenschaften von UP- Harzen , sowie 3 vor und nachteile: farblos bis schwach gelblich exotherme Reaktion bei RT oder in Wärme Polymerisation 5-9 % Volumenschwindung + niedrige Viskosität , hohe/einstellbare Härtungsgeschwindigkeit, billig - geringe Steifigkeit, hohe Reaktionsschwindung, Luftsauerstoff verzögert aushärten
• 8 Eigenschaften von EP-Harzen sehr geringe Schwindung (3%) - gute Maßhaltigkeit, geringe Eigenspannung sehr gute Haft und Klebeigenschaften Gute Mech. Eigenschaften. v.a. dynamisch hohe Tempbeständigkeit hohe Viskosität, kann mittels Verdünner gesenkt werden. gute elektrische Eigenschaften 3-4x so teuer wie UP HARZ, Stöchiometrisches Mischungsverh. muss exakt eingehalten werden.
• Beispiel für Kondensationsharz nennen mit Eigenschaften: Phenolharz PF : brandbeständig chem. beständig niedrige Wasseraufnahme billig schlechte mech. Eig. Verarbeitungsprobleme (Wasserabspaltung...)  
• Beispiel und Anwendung von Elastomeren Matrixsystemen BSP: Polyurethane, Silikonkautschuke Anwendung im : -Reifen, Antribesriemen, Dämpfungssystemen
• 6 Merkmale der Härtung duromerer Matrixwerkstoffe Exothermie generelle Viskositätserhöhung Reaktionsschwindung Warmhärung (Harz+Härter, Auslösung durch Wärme) Kalthärtung ( Harz+Härter+Beschl. , Auslösung durch Beschleunigerzerfall) Lichtaushärtung ( Harz+Härter+Beschl. , Auslösung durch Beschleunigerzerfall(UV_LICHT))
• Zeichne schematisch den Härtungsverlauf von Reaktionsharzen und benenne die Zeitabschnitte: Worauf ist besonders zu achten? Induktionszeit, Topf-/Gelierzeit, HärtezeitBeachte:Die Härtung von duroplastischen Harzen ist stets eine exotherme Reaktion. Eine Überhitzung, die zur Zerstetzung des Harzansatzes führen kann, muss vermieden werden.
• Definition der Topfzeit / Gelzeit Zeichne dazu Schaubild An Hand des isothermen Viskositätsanstiegs wird auch die sog. Topfzeit oder auch Gelzeit definiert als SChnittpuknt der Viskositätskurve mit einer vorgegebenen Grenzviskosität!SCHaubild VE03 S.29
• Stelle schematisch die Volumen und Dichteänderung während der Härtung dar. Bennen die Phasen Bild. S. 31. VE03
• Welchen generellen Einfluss hat der Aushärtegrad auf die Glasübergangstemperatur? Tg steigt mit zunehmender Vernetzung, da die Kettenbeweglichkeit immer weiter eingeschränkt wird. Gegen Ende der Aushärtung bewirken bereits wenige Vernetzungsstellen einen deutlichen Anstieg von Tg, da ganze Segmente eingefrorern werden.
• Was bewirkt Warmhärten bei EP und UP Harzen? UP: Nachhärten bei 140° führt zur vollständigen Aushärtung mit Tg von ca. 160 °   EP: EP werden häufig in Wärme ausgehärtet, wegen langsamer Reaktion, wendet man auch Temp über Tg an...?!
• Wie hängen die mechanischen Eigenschaften von Harzen vom Aushärtegrad ab? Festigkeit steigt mit Aushärtegrad zuerst an, fällt anschließend durch Versprödung, hohe Rissempfindlichkeit. Steifigkeit steigt mit Aushärtegrad wie auch die Glasübergangstemp Biegekriechmodul steigt mit Grad   -> Über die Nachhärtedauer können die mech. Eig gut eingestellt werden!!
• Welche Herausforderungen bringen thermoplastische FVK mit sich? Nenne 3 typische Matrixwerkstoffe PP, PET, PA6.6, hohe Viskosität ( tränkung unter hohen drücken, schergeschwindigkeiten) hohe kriechneigung(wegen fehlender Vernetzung) rel. niedrige einsatztemp
• Welche 4 Vorteile bieten thermoplastische Matrizen? Schmelzeverarbeitung rein physikalischer Prozess!! höhere Schlagzähigkeit nachträgliche Formgebung möglich vollständiges Werkstoffrecycling möglich
• Die Formgebung von Thermoplastischen FVK ist auf bestimmte Verfahren beschränkt. Worauf? Warum? maschinelle Verfahren. hohe drücke erforderlich für tränkung!
• Skizziere den Härtungsverlauf eines UP Harzes! Tg über Zeit Diagramm S.35 VE03
• Nenne je 3 Vor und Nachteil von Thermo gegenüber Duro- Matrix + gorßserientauglich+ kürzere Prozesszeiten+ i.A. keine Gefahrenstoffe+ höhere Schlagzähigkeit - hohe Viskosität- hohe Verarbeitungstemp.- hohe Kriechneigung
• Typische Anwendung für thermoplast. FVK Frontend PKW
• Nenne 3 Auswahlkriterien für polymere Matrixsysteme mit je 3 Beispielen: Werkstoffeig. der Matrixmech. Eig, temp Einsatzgrenzen, Elektrisch. Eig. FertigungseigenschaftenTränkviskosität,Verarbeitungszeit, Härtungstemp Fasereigenschaftenmech Eig. Preis, Anbindung an Matrix, Faserlänge, gehalt...

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