Faserverbundwerkstoffe

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Übersicht Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe (Composites) bestehen aus zwei oder mehreren Materialien, die miteinander verbunden sind. Auf diese Weise werden sehr spezielle Werkstoffeigenschaften, wie Steifigkeit oder Festigkeit in bestimmten Richtungen bei gleichzeitiger Gewichtsersparnis erzielt, mit denen neue Anwendungsgebiete erschlossen werden. 

Composites finden in vielen Produkten neue Anwendungen. Flugzeuge, wie die A380 oder die A350 von Airbus, oder die Boeing 787 sind aktuelle Beispiele aus der zivilen Luftfahrt in denen ein hoher Anteil Kohlefaser-Verbundwerkstoffe verbaut wird. BMW hat mit den Fahrzeugen I3 und I8 komplette Fahrzeugchassis aus CFK-Werkstoffen im Einsatz, die so leicht sind, dass zwei Personen sie tragen können. Bei Rennfahrzeugen sind Faserverbundwerkstoffe schon seit langer Zeit ein Standard. In den Flügeln größerer Windräder werden verschiedene Arten von Composites verbaut. Unidirektionale Faserverbunde fangen die Fliehkräfte auf, die Außenflächen werden aus multidirektionalen Faserverbunden produziert und die Gesamtstruktur ist als Kernverbund konzipiert. Nicht zuletzt findenVerbundwerkstoffe auch in der Medizintechnik, z.B. als Prothesen und auch in der Bauindustrie als vielseitige Werkstoffe für Brücken und im Fassadenbau interessante Anwendungsfelder.

Bei Faserverbundwerkstoffen sind Fasern in eine Komponente des Verbundwerkstoffes, der so genannten Matrix eingebettet. Auf diese Weise entsteht ein Faser-Matrix-System. Die Fasern können in einer oder mehreren bestimmten Richtungen verlaufen und Vorzugsrichtungen haben.

Schichtverbundwerkstoffe bestehen aus aufeinanderliegenden Schichten unterschiedlicher Anzahl. Der Spezialfall von drei Schichten, davon zwei identische Außenschichten, wird auch als Sandwichverbund bezeichnet. 

Kernverbunde werden in Leichtbaukonstruktionen eingesetzt. Dabei kann der Kern, der den Raum zwischen den Deckplatten ausfüllt, z.B. aus einem geschäumten Kunststoff oder aus einer Wabenstruktur bestehen. Letzteres wird als Wabenverbund bezeichnet.
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Definition Faserverbundwerkstoffe

In technischen Anwendungen kommen verschiedene Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz, z.B.

  • Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK)
  • Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK)
  • Aramidfaserverstärkte Kunststoffe (AFK)
  • Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK)

Die Faserverbundwerkstoffe bestehen aus der Faser, die als Filament oder Stapelfaser, z.B. als Roving vorliegt und einer Matrix, die für die notwendige Verbundhaftung sorgt.  

Das Eigenschaftsprofil wird, neben der Auswahl von Faser- und Matrixwerkstoff, wesentlich durch die Orientierung der Fasern im textilen Flächengebilde bestimmt. Für die Belange der Prüftechnik wird üblicherweise nach unidirektionalen und multidirektionalen Laminaten unterschieden. 

Die Werkstoffprüfung bildet in der Regel einzelne Beanspruchungsszenarien an genormten Probekörpern ab. Aufgrund der starken Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften werden die verschiedenen Beanspruchungsarten mit unterschiedlicher Probenentnahme, z.B. längs- und quer zur Hauptfaserrichtung durchgeführt.  

Neben der internationalen Normung (ISO) sind diese Prüfungen in verschiedenen nationalen oder regionalen Normen (ASTM, EN, DIN), wie auch in firmeneigenen Regelwerken (Airbus AITM, Boeing BSS) beschrieben. Dadurch ergibt sich ein Umfeld von mehr als 170 Normen, das rund 20 generische Prüfmethoden beschreibt.

Die Prüfung an Bauteilen, Strukturausschnitten und kompletten Strukturen ist in der Regel nahe an den Beanspruchungen ausgerichtet, die im späteren Betrieb auftreten. Festigkeiten, Energieaufnahme (Crash), Materialermüdung und Lebensdauerabschätzungen stehen dabei im Vordergrund.

Aufgrund der Richtungs- und Scherempfindlichkeit der Faserverbunde müssen Prüfkräfte exakt in der vorgesehenen Richtung eingebracht werden. Der Axialitätsfehler wird mit Schiefzug bezeichnet und unterliegt engen Grenzen. Zur Messung des Schiefzugs setzt Zwick spezielle Messeinrichtungen ein, die sich an Form und Dimension der Probekörper orientieren. Die Ausrichtung der Zugachsen der Prüfmaschine erfolgt über mechanische Justageeinrichtungen (Alignment Fixtures).

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Modulares Prüfsystem für Faserverbundwerkstoffe

Größere Prüflabore mit entsprechend hohem Prüfaufkommen setzen für die einzelnen Prüfmethoden mehrere verschieden große Prüfmaschinen ein und können so den Umbauaufwand minimieren. Die genormten Prüfverfahren lassen sich dabei grob in folgende Kraftbereiche einteilen: 

  • Kräfte bis 1 kN: Biegeversuche, Energiefreisetzungsraten, Zugversuche an Einzelfilamenten
  • Kräfte bis 10 kN: Scherversuche, z.B. IPS, ILSS und V-Kerb, Zugversuche an Filamentsträngen, UD 90° Zugversuche, Zugversuche in Dickenrichtung
  • Kräfte bis 100 kN UD 0° Zugversuche, Zugversuche MD bei kleineren Laminatdicken, Druckversuche nach ISO, ASTM und EN Normen, Kerbdruckversuche, Lochleibungsversuche
  • Kräfte über 100 kN Zug- und Druckversuche nach Airbus Normen bei entsprechender Laminatstärke, Compression After Impact
Wenn das Prüfaufkommen aber nicht so hoch oder so regelmäßig ist, dass sich die Investition in mehrere Prüfmaschinen lohnt, dann ist es vorteilhaft, eine einzige Prüfmaschine so auszustatten, dass möglichst viele Prüfverfahren mit dem geringstmöglichen Umbauaufwand durchgeführt werden können.

Zu diesem Zweck hat Zwick modulare Prüfmaschinenkonzepte für elektromechanische und servohydraulische Prüfmaschinen in verschiedenen Nenngrößen entwickelt. Der Vorteil dieser modularen Systeme liegt auf der Hand: Alle Werkzeuge, Extensometer, Software und eventuell Schutzscheiben und die Temperierkammer sind Teil der Modularität und aufeinander abgestimmt. Weiterhin gewinnt dieses System bei der Zukunftssicherheit, da alle Komponenten auch nachgerüstet werden können.
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Zugversuche, Druckversuche und Biegeversuche

Zwick bietet spezielle Prüfvorrichtungen für die normkonforme Durchführung von Zug-, Druck- und Biegeversuchen in einem breiten Temperaturbereich.

Scherversuche

Zur Ermittlung der Schubeigenschaften in verschiedenen Ebenen und Richtungen haben sich unterschiedliche Prüfmethoden etabliert.

Weitere Versuche an Composites

Es existiert eine Vielzahl speziellerer Prüfverfahren, die üblicherweise in der Materialentwicklung eingesetzt werden.
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