Maschinenbau (Fach) / Faserverbundwerkstoffe (Lektion)

Kurzfragen "Konstruieren mit Faserverbundwerkstoffen", FH Kiel

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• Was versteht man unter dem Faserparadoxum? je dünner die Faser, desto größer die Festigkeit
• Was versteht man unter einem Rissstopeffekt von Faserverbundwerkstoffen im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen? Riss wird an jeder Fasergrenze gestopptLast wird auf mehrere Nachbarfasern umverteiltVersagensverlauf deutlich langsamer
• Wie groß sind die Elastizitätsmodule von Glasfasern, Aramidfasern und hochfester Kohlefaser? E-Glas: 72 kN/mm²Aramid: 62-179 kN/mm²Kohlefaser: 230-758 kN/mm²
• Wie werden Glasfasern hergestellt? Schmelzen, durch Spinndüsen drücken,ausziehen/abkühlen, auftragen einerSchlichte unterhalb der Düse, zusammenfassen der Fasernzu Spinnfaden/aufspulen
• Welche Vor- und Nachteile haben Glasfasern? +: niedriger Preis, hohe Festigkeit, hohe Bruchdehnung, gute Drapierbarkeit, sehr gute elektrische und thermische Isolationsfähigkeit, Tränkung mit Harz gut sichtbar, Verklebung zu eingeklebten Elementen sehr gut zu sehen, Schlagschäden sehr gut zu erkennen, Glasfasern können eingefärbt werden-: kleiner E-Modul, große Dichte
• Welche Vor- und Nachteile haben Aramidfasern? +: kleine Dichte, hohe Steifigkeit, Zugfestigkeit höher als bei E-Glasfasern, Ermüdungsfestigkeit besser als bei Glas, Dämpfung höher als bei Glas und Kohle, herausragende Zähigkeit-: geringe Druckfestigkeit, Wasseraufnahme, Abbau durch UV-Licht, Kriechen, Kosten, Bearbeiten des Laminats sehr schwierig
• Welche Vor- und Nachteile haben Kohlefasern? +: kleinere Dichte als Glas, hohe Festigkeit, sehr hohe Steifigkeit, exzellente Ermüdungsfestigkeit, fast linear elastisches Verhalten, Risse in der Matrix erst bei deutlich höheren Spannungen in den Fasern (Vergleich zu GFK), thermische Ausdehnung, Beständigkeit gegen Säuren/Alkalien, Verträglichkeit mit synthetischen Polymeren/menschlichem Gewebe und Knochen, durchlässig für Röntgenstrahlen-: Bruchverhalten des Laminats spröde, Bruchdehnung klein, Undurchsichtigkeit des Laminats, Faserdruckfestigkeit kleiner als -zugfestigkeit, Eckradien größer als bei Glasfasern, sehr hoher Faserpreis, steigt mit E-Modul/Feinheit des Garns
• Erklären Sie die Begriffe K-Zahl und TEX bei Fasern. K-Zahl: Anzahl der Filamente in einem Tow in 1000TEX: Masse in g für 1000 m [TEX=K*rho*pi/4*D_f^2]
• Erläutern Sie die Begriffe Gewebe, Gelege und Matte. Gewebe: ein Auflageschritt - zwei FaserrichtungenGelege: unidirektionale FaserbündelMatte: 25-50mm lange Fasern in alle RIchtungen orientiert und durch Binder verbunden
• Welche Aufgaben hat die Matrix bei Faserverbundwerkstoffen? Fixierung der Fasern, Verklebung der Fasern untereinander, Übernahme von mechanischen Lasten, Stützen der Fasern, Verkleben der einzelnen Laminat-Schichten, Risse stoppen, Schutz der Fasern vor Umgebung
• Nennen Sie fünf Vor- und Nachteile eines Faserverbundwerkstoffes gegenüber metallischen Werkstoffen wie Stahl und Aluminium. +: Leichtbaupotential, Korrosionsbeständigkeit, freie Formgebung, hohe Ermüdungsfestigkeit, thermische Ausdehnung-: höherer Materialpreis, Temperaturobergrenzen, Entsorgung, keine Fließfähigkeit, Kriechen
• Vergleichen Sie die Eigenschaften der drei Faserwerkstoffe Glas, Aramid und Kohlefaser. E: Glas (<) Aramid < KohleRm: Aramid < Glas < Kohleepsilon: Kohle < Aramid < Glasrho: Aramid < Kohle < GlasPreis: Glas < Aramid < Kohle
• Wie groß sind in etwa die möglichen Faservolumenanteile bei Matte, Gewebe und UD-Gelegen? Matte: 15-35%Gewebe: 35-50%UD-Gelege: bis 70%
• Wodurch unterscheiden sich die Harze Polyester, Vinylester und Epoxid? Polyester: Matrix bricht vor Faser, spröde, mäßiger Widerstand gegen chem. Sub.Vinylester: bessere interlaminare Festigkeit, größere Bruchdehnung, besserer Widerstand gegen chem. Sub.Epoxid: gute Spaltfülleigenschaften, keine Fasermatte nötig, höchste Festigkeitswerte für das Laminat, bester Widerstand gegen chem. Sub.
• Welche Probleme bereiten Sandwichkonstruktionen? Biege-, aber nicht Längs- oder Schubsteifigkeit/-festigkeit wird erhöht, Flächengewicht steigt etwas
• Nennen Sie drei verschiedene Kernwerkstoffe für Sandwichstrukturen. Balsa, PVC linear, PVC räumlich
• Welche drei Faserwerkstoffe werden für mechanisch stark belastete Strukturen eingesetzt? Sortieren Sie die Faserwerkstoffe nach Größe der Dichte und Größe des E-Moduls. Dichte: Aramid - 1,4 g/cm³ Kohle - 1,7 - 2,1 g/cm³ S-Glas - 2,5 g/cm³/E-Glas - 2,6 g/cm³ E-Modul: Kohle - 230-758 kN/mm² Aramid - 62-179 kN/mm² S-Glas - 85 kN/mm²/E-Glas - 72 kN/mm²
• Wie werden Kohlefasern hergestellt? -Oberflächenbehandlung oxidativ (nass chemisch (Salpetersäure) oder thermisch an Luft mit über 400°C)-Oberflächenbeschichtung (dünne Polymerschichten zur Verbesserung der Haftung der Matrix)
• Erklären Sie die Begriffe Filament, Spinnfaden, Garn, Zwirn, Rowing. Filament: einzelne FaserSpinnfaden: Verbund vieler FilamenteGarn: verdrehter SpinnfadenZwirn: miteinander verdrehte GarneRoving(sic!): mehrere nicht verdrehte Spinnfäden nebeneinander
• Wie unterscheiden sich die Gewebearten Leinen, Köper, Atlas? Leinwand: je ein Roving drunter & drüber. nur einfach gekrümmte OberflächenKöper: je zwei drunter, zwei drüber, mäßig bis zweifach gekrümmte OberflächenAtlas sieben drunter, ein drüber, brauchbar bei zweifach gekrümmten Oberflächen
• Was ist der "Glasübergangspunkt" bei Duroplasten? Wovon hängt er ab? temperaturabhängig Steifigkeiten und Festigkeit sinken Bruchdehnung nimmt stark zu im Glasübergangsbereich größte Dämpfung Wärmedehnung und spez. Wärmekapazität nehmen zu
• Was ist ein eingeschlossener Matrixzwickel und wie unterschiedlich wirkt er sich aus bei Polyesterharz und Epoxidharz? Schrumpfbehinderung die bei Polyesterharzen zur Ablösung der Matrix von Fasern führt (P. schrumpfen im teilweise schon fest gewordenen Stadium)
• Welche drei Anforderungen müssen an die Fasern im Vergleich zu den Matrixwerkstoffen gestellt werden? E-Modul viel größerZugfestigkeit viel größerBruchdehnung kann kleiner sein
• Welche Anforderungen werden an Schäume gestellt? geringe Dichtehohe Schubfestigkeitgroße Bruchdehnungwenig Harzaufnahme besonders bei Infusionsverfahrenhohe Temperaturstabilität für Prepreg Prozessegeringe Wasseraufnahme
• Wodurch unterscheiden sich linear und räumlich vernetzte PVC-Schäume? lin.: relativ zäh, geringe Wärmebeständigkeit, Erweichungstemperatur ca. 60°C -> bei Schocklasten besser als räumlich vernetzter Schaumräuml.: relativ spröde, hohe Wärmebeständigkeit, Erweichungstemperatur ca. 100°C
• Wie werden Waben als Kernwerkstoff hergestellt? -mehrere Lagen Aramidpapier übereinander legen, die mit schichtweise versetzten Streifen von Klebstoff bedruckt sind-nach Abbinden des Klebers Paperlagen auseinander ziehen-dabei einsteht die Wabenstruktur-Waben in Harz tauchen und in einem Ofen aushärten
• Skizzieren Sie eine hexagonale und eine überexpandierte Wabenform. [normal sechseckig] <-> [in die Breite gezogen]
• Wieso sind die Schubsteifigkeiten bei Waben unterschiedlich in zwei Richtungen? Anisotropie durch Herstellvorgang (siehe Klebestellen)
• Warum werden Sandwichkonstruktionen im Flugzeugbau nicht für Primärstrukturteile eingesetzt? - Kernwerkstoff: kein-Riss-Stopp-Effekt, Delamination, Aufnahme von Wasser                     - schwierige Krafteinleitung - Ausknicken bei Druck- und Biegebelastung
• Listen Sie sechs Herstellverfahren für Faserverbundwerkstoffe auf. Faserspritz-, Handauflege-, Prepreg-, Infusion- und Injektions-, Wickel-, Pultrusions-, …. verfahren
• Welche Vorteile hat das Vakuuminfusionsverfahren gegenüber dem Handauflegeverfahren? Kleinerer Harzanteil, gleichmäßige Produktqualität, glatte Oberflächen
• Nennen Sie 5 typische Prozessschritte bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen Faser in/auf Form (nach Laminatplan) ablegen Imprägnieren der Fasern mit Harz Konsolidieren(Entfernen von überschüssigem Harz, Luft und Lösungsmitteln) Härten Entformen 
• Welche Vorteile hat das Prepregverfahren gegenüber dem Handlaminierverfahren? Vorab fertig getränkte Materialien, spart Zeit (?) Fertig getränkt angeliefert Exakter Harzanteil Harzanteil einstellbar auf die Bedürfnisse
• Welche Vorteile hat das Vakuuminfusionsverfahren gegenüber dem Handauflegeverfahren? Vorteile des Vakuuminfusionsverfahrens Umweltbelastung geringer, weniger Gesundheitsbelastung kleinerer Harzanteil als bei Handauflegeverfahren leichter trotz Harzkanäle im Kern bei Sandwich Bandbreiten in den Eigenschaften kleiner
• Beschreiben Sie das Prepreg-Verfahren. Imprägnieren der Faser -       Separat von der Form Ablegen in/auf die Form -       Manuell Schicht auf Schicht Konsolidieren -       Vakuum oder/und Überdruck Härten -       Temperatur und Druck
• Erklären Sie das Schmelzharz- und das Lösungsmittelimprägnierverfahren für Prepregs. Schmelzharzimprägnierung: Harz wird auf Trägerfolie aufgerakelt – bei 60 – 90°C Imprägnierung der Fasern mit Walzen – beheizt – Anpressdruck Abkühlen und Aufrollen – mit Schutz- und Trennfolien luftdicht verpacken – mit Vakuum besser tief gekühlt lagern Lösungmittelimprägnierverfahren: Harz-Härter Gemisch – heiß härtend – erforderliche Viskosität für Tränken der Fasern wird durch Lösungsmittel eingestellt Lösungsmittel – wird weitgehend im Trockenturm entfernt – aber leider nicht ganz „Zustand B“ – bei Raumtemperatur hochviskos – leicht klebrig
• Was sind Positiv- und Negativformen, welche Vor- und Nachteile haben sie? Formen: positiv – Bau von innen nach außen relativ leicht herzustellen da konvex Außenhaut muss gespachtelt, geschliffen undlackiert werden Innenseite glatt und maßhaltig kleine Stückzahlen negativ – Bau von außen nach innen aufwendig herzustellen, da konkav Gelcoat gibt Schutz und äußeres Finish mitwenig Aufwand Anpassarbeiten aufwändig für Innenteile Serienbau
• Was ist ein Autoklav, wofür dient er, welche zwei Prozessparameter ermöglicht er und wie groß können die sein? „Verschließbare auf Überdruck geprüfte Metallgefäße für die Durchführung von Druckreaktionen“ Der höhere Druck als Atmosphärendruck sorgt für eine größere Verdichtung und Hohlstellenvermeidung. Eingeschlossene Luft und flüchtige Lösungsmittel werden zu den Vakuumpumpen getrieben.(Konsolidieren) Die Erhöhung der Temperatur dient der Reduzierung der Viskosität für bessere Benetzung der Fasern sowie zum Starten der Aushärtung des Harzes 5 bis maximal 6 bar Druck, bis zu 200°C Theoretisch unbegrenzte Größe (ganze Rumpfsegmente in der Luft- und Raumfahrt)
• Beschreiben Sie das Vakuuminjektionsverfahren. trockenes Verstärkungsmaterial in die Form einlegen RTM (Resin Transfer Moulding): Harz/Härter-Mischung aus Vorratbehälter in Form einbringen RIM (Resin Injection Moulding): hochreaktive Komponenten erst unmittelbar vor Einspritzen mischen Harzinjektionsverfahren: zweiseitige, geschlossene Form wird luftdicht abgeschlossen Einbringen des Harzes erfolgt mit leichtem Überdruck (bis 20 bar); Harz wird durch Fasern gedrückt Harz/Härter-Gemisch wird mit Vakuum durch Verstärkungslagen gezogen Zykluszeiten betragen je nach Harz einige Stunden
• Wie funktioniert das Pultrusionsverfahren? kontinuierlicher Herstellprozess konstante Querschnittsformen – u.a. geschlossene oder offene Hohlprofile möglich beliebige Längen geringe Herstellkosten – direkte Umwandlung von kontinuierlichen Fasern und Harz in ein fertiges Teil – automatisiert Mindestmenge an Fasern in Längsrichtung für das Ziehen Faservolumenanteil typisch 30 %, max. ca. 45% Wandstärken max. 12 mm Herstellgeschwindigkeit ca. 2 m/min
• Was für Bauteile können mit dem Pultrusionsverfahren hergestellt werden? Profile, Stäbe Glasfaserstangen für Fähnchen bei Kinderfahrrädern Hutsteifen aus CFK für Stringer in Flugzeugen
• Was ist Druckformen, wofür wird es eingesetzt? Faserablage imprägnieren mit Harz   -> Form offen konsolidieren härten   -> Form schließen; Druck und Wärme entformen   -> Form öffnen; Bauteil auswerfen --> kleine Bauteile, große Stückzahlen
• Vergleichen Sie das Nasslaminier- mit dem Infusionsverfahren. Infusionsverfahren gegenüber Nasslaminierverfahren: Harzanteil ist geringer, weil nur der nötige Harzanteil eingebracht wird    -> reduziert Masse    -> erhöht E-Modul sowie Zug- und Druckfestigkeit Lufteinschlüsse werden verhindert Produktqualität schwankt weniger bessere Qualität bei engen Krümmungen, Ecken bei Öffnungen (Fenstern, Luken, …) vorzugsweise Sandwichkonstruktion    -> Verklebung mit Kernwerkstoffen ist besser, sodass auch Rumpfböden als Sandwich sicherer hergestellt werden können    -> Nuten und Perforationen im Kernwerkstoff dienen zum Transport von Harz an der Oberfläche des Kernmaterials und von einer Seite zur anderen ohne den Kernwerkstoff zu tränken           -> geht mit Kernwerkstoff schneller zu tränken als bei Massivlaminat           -> keine Waben möglich Kosten    -> direkte Kosten höher (Vakuum Sack, Flussmaterial, Abreißgewebe, Vakuumpumpe, Rohre)    -> aber Gesamtkosten inkl. Heizung und Lüftung sind geringer, zumindest ab ca. 10 m Rumpflänge (je größer desto kostengünstiger)    -> geringere Harzkosten 40 bis 50 % weniger als beim Nasslaminieren    -> keine Klebkosten für Kernwerkstoffe    -> 25 – 30 % kürzere Zeit vom Gelcoat aufbringen bis zum Entformen
• Was ist beim Wickelverfahren zu beachten? (Achtung sehr subjektive Antwort, weil ungenaue Frage) Benötigt Kern (teuer) Bauteilform muss rund bzw. oval sein und darf keine negative Radien bzw. scharfe Kanten haben Die Fadengeschwindigkeit ist begrenzt (bis 1,2 m/s) Die Schichtdicke ist konstant, lokale Verstärkungen können nur manuell durch auflegen von Prepregs erzielt werden (gleiches gilt für Fasern in 0°-Richtung, aufgrund des Mindestablegewinkels) Benötigt ein niedrig-viskoses Harz (für ausreichende Tränkung der Fasern) Automatisierung: -> schnell, Reduzierung der Lohnkosten, sehr gute Reproduzierbarkeit
• Welche Vor- und Nachteile hat das Wickelverfahren? Vorteile:  hohe Reproduzierbarkeit großer Faservolumenanteil kontinuierliche Endlosrovings    -> keine Anschlussstellen kostengünstig    -> da automatisierbar und schnell    -> Rovings kosten weniger als Gewebe und Gelege Nachteile:  begrenzte Geometrie    -> keine negativen Krümmungen    -> keine scharfkantigen Formen Formkerne    -> teuer in der Herstellung    -> werden teilweise zerstört fester Wickelwinkel für eine Lage    -> sonst rutschen der Rovings
• Welche Arten der Fasertränkung gibt es beim Wickelverfahren? • Post-Imprägnierung– Trockenwickelverfahren• Pre-Imprägnierung– Prepreg-Wickelverfahren• Online-Imprägnierung– Nasswickelverfahren
• Welche sechs grundlegenden Prozessschritte sind für die Herstellung eines Laminates erforderlich? Faserablage: Die Fasern werden meist per Hand in die dafür erstellte Form eingelegt, ggf. werden auch vorgefertigte Kernwerkstoffe oder Versteifungen eingearbeitet Imprägnierung mit Harz im offenen oder geschlossenen Verfahren Entfernen von überschüssigem Harz, Luft und Lösungsmitteln Härten des Bauteils Entformen des Bauteils Abschlussarbeiten
• Beschreiben Sie das Handauflegeverfahren. • Faserablage– Einlegen der Fasern von Hand in Form• imprägnieren mit Harz– Harz aufbringen und ausrollen• konsolidieren– entlüften durch spezielle Rollen, Lage für Lage• härten– kalthärtende Harze– tempern zum Entfernen von Styrol
• Beschreiben Sie das Faserspritzverfahren. • Faserablage & Imprägnieren mit Harz automatisiert in einem Schritt• Konsolidieren entfällt geringer Faseranteil geringe Festigkeit und Steifigkeit nur für Teilbereiche und zum Aufbau dicker Schichten hohe Styrol Emission
• Welche Fehler können bei der Laminatherstellung passieren? Laminataufbau nicht wie in Zeichnung    -> Anzahl, Ausrichtung und Reihenfolge der Verstärkungen Lufteinschlüsse    -> innere Kerben nicht ausreichende Tränkung Matrix nicht vollständig ausgehärtet    -> bei Epoxy falsches Mischungsverhältnis für Harz/Härter, leicht erkennbar, da nicht richtig aushärtet    -> ob chemische Reaktion bei Polyester vollständig abgeschlossen ist, bleibt fraglich, da Polyester schon hart wird, wenn Styrol nur entweicht

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