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Innovative Faserverbundwerkstoffe wie Carbon finden aufgrund ihrer hervorragenden Werkstoffeigenschaften immer mehr Einsatz in den verschiedensten Bereichen der Industrie und substituieren dabei vermehrt seit langem eingesetzte metallische Werkstoffe wie Stahl oder Aluminium. Der Trend zum Umstieg auf Leichtbaulösungen aus Verbundmaterialien zeichnet sich gerade in den letzten Jahren stark ab. Von Turbinenschaufeln für Flugzeuge, über Strukturkomponenten für Röntgengeräte bis hin zu Rümpfen für Yachten – die Anwendungsgebiete von Composites sind nahezu unbegrenzt. Der Wechsel von herkömmlich eingesetzten Werkstoffen hin zu Leichtbaumaterialien geht dabei aber nicht immer reibungslos von statten. Veränderungen in Sachen Werkstoff bringen natürlich auf Veränderungen in der Auslegung, Konstruktion und Herstellung von Komponenten mit sich, welche im besten Fall bereits in der frühen Entwicklungsphase berücksichtigt werden.
Dieser Beitrag soll einen Leitfaden liefern, welcher anhand von Common Mistakes aus der Praxis beschreibt, worüber man sich bei der Entwicklung von Faserverbund-Komponenten bereits vorab Gedanken machen sollte, um Kosten und Zeit in der Projektabwicklung zu sparen.
Ziel dieses Beitrags ist es praxisnahe Anhaltspunkte zu liefern, welche die Entwicklung und Herstellung von Komponenten aus Faserverbundwerkstoffen wesentlich effizienter gestalten. Durch eine frühzeitige Berücksichtigung folgender Common Mistakes in der frühen Entwicklungsphase können sowohl sie Kosten, als auch die Zeit für die Projektabwicklung ausschlaggebend reduziert werden. Zudem kann das Potential von Faserverbundwerkstoffen durch eine faserverbundgerechte Konstruktion und Auslegung bestmöglich ausgeschöpft werden.
Folgend werden Common Mistakes aus der Praxis beschrieben, welche bestmöglich so früh wie möglich im Entwicklungsprozess berücksichtigt werden sollten.
In den Materialdatenblättern von Faserverbundwerkstoffen mit Kunstharzmatrix ist normalerweise die Glasübergangstemperatur des Kunststoffes angegeben. Diese darf man nicht mit Temperaturbeständigkeit des späteren Bauteils verwechseln. Sie gibt vielmehr einen Hinweis auf die Wärmeformbeständigkeit, d.h. auf die Temperatur, bei der das Faserverbundbauteil gerade noch so unter dem eigenen Gewicht seine Geometrie behält. Die mechanische Belastbarkeit des Werkstoffes fällt aber schon deutlich unterhalb dieser Temperatur ab. Die Gründe hierfür liegen im chemischen Aufbau des Kunststoffes. Feuchtigkeitsaufnahme über einen längeren Zeitraum kann diesen Effekt noch verstärken. Die gute Nachricht: es gibt durchaus auch Matrixwerkstoffe, die sehr hohe Temperaturanforderungen erfüllen.
Die Aushärtung von Faserverbundbauteilen mit Kunststoffmatrix erfolgt häufig unter erhöhter Temperatur. Aus den unterschiedlichen Wärmedehnungseigenschaften von Faser und Matrix, dem chemischen Schwund des Harzes bei der Reaktion und der Wärmedehnung des Werkzeuges ergeben sich zwangsläufig geometrische Abweichungen. Diese Effekte können durch ihre Wirkung in Z-Richtung darüber hinaus auch Auswirkungen auf die Bauteiloberfläche haben.
Die Halbzeugauswahl, Gestaltung des Aushärteprozesses und Materialauswahl für das Werkzeug bieten Möglichkeiten, diesen Effekten entgegen zu wirken. Es lohnt sich, im Vorfeld die Anforderungen an das Bauteil und besonders die geometrischen Toleranzen auf ihre Notwendigkeit hin zu prüfen und mit einem Experten zu diskutieren, da die oben genannten Maßnahmen durchaus zeitintensiv und kostspielig sein können.
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Der Faserverbundwerkstoff und die Fertigungsverfahren unterstützen zwar das integrale Bauteildesign, Mehrfachpassungen sind aber wie immer zu vermeiden! Sind hohe Anforderungen an die Geometrietreue und die Gestalt und Lage von Funktionsflächen nicht zu vermeiden, so macht es Sinn eine Möglichkeit zum Toleranzausgleich vorzusehen. Dies kann durch eine zusätzliche Fügestelle oder den Einsatz von Shims erreicht werden.
Starke Sprünge in der Wandstärke von Faserverbundbauteilen sollte man vermeiden. Selbst wenn die daraus resultierenden Steifigkeitssprünge akzeptiert werden können, ergeben sich daraus Probleme bei der Fertigung. Die folgende Abbildung zeigt oben links ein solches Laminat mit einem Sprung. Rechts daneben ist schematisch dargestellt, welchen Bauteilverzug ein solcher Sprung verursachen wird. Darüber hinaus bildet sich an der Kante ein Reinharzkeil, dessen spröde Materialeigenschaften die Bauteilmechanik negativ beeinflussen.
Die Lösung liegt darin, auf der Bauteilinnenseite den Bauraum für einen Übergangsbereich vorzusehen. Eine solche Staffelung der einzelnen Faserlagen verbessert die mechanischen Eigenschaften und reduziert den Bauteilverzug. Je nach Wandstärke der einzelnen Faserlagen sind hier Stufenlängen von 5 - 10 mm sinnvoll.
Scharfe Kanten und spitz zulaufende Flächen führen häufig zu Problemen in der Umsetzung und damit zu Fehlern am späteren Faserverbundbauteil. Zum einen ist der minimale Biegeradius der Fasern begrenzt, zum anderen ist es schwierig, das Faserhalbzeug in eine solche Geometrie zu drapieren. Verwendet man ein vorimprägniertes Material, so klebt es und rutscht nicht in spitze Kanten hinein. Trockenes Fasermaterial dagegen hebt sich von selbst wieder heraus.
Bei einer Aushärtung unter erhöhter Temperatur wird das Problem dadurch noch verstärkt, dass sich das Werkzeug ausdehnt, während die Kohlenstofffasern sich zusammenziehen. Die Folge sind Fehlstellen und Reinharzbereiche ohne Faseranteil an den Bauteilspitzen.
Es gibt eine Vielzahl an verschiedenen Möglichkeiten, Faserverbundbauteile zu fügen und Lasten in diese einzuleiten. Setzverhalten, Toleranzausgleich, Kontaktkorrosion und richtungsabhängige Belastbarkeit sind nur einige Punkte, die bei der Auswahl beachtet werden sollten. Oft geben diese Befestigungspunkte sogar die Gestalt und das Laminat eines Bauteiles vor.
Es ist absolut sinnvoll, diese Punkte und ihre konstruktive Ausführung früh im Designprozess zu definieren und auf dieser Basis weiter zu arbeiten. Darüber hinaus sollte man den umlaufenden Bauteilbereich so gestalten, dass ausreichend Raum für die Reparatur einer Lasteinleitung z.B. durch Aufbohren oder Aufdoppeln besteht.
Faserverbundwerkstoffe besitzen eine anisotrope Anordnung ihrer Faserstränge, was bewirkt, dass ein Bauteil daraus je nach Richtung des Faserverlaufs unterschiedliche Werkstoffeigenschaften aufweist. In Faserrichtung besitzt es demzufolge eine sehr hohe Festigkeit. Im Gegensatz dazu ist diese entgegen der Faserrichtung eher gering. Diese Anisotropie gilt es, frühzeitig im Entwicklungsprozess zu berücksichtigen.
Materialkennwerte aus Datenblättern können hinsichtlich dessen auch nicht ohne weiteres als repräsentativ angesehen werden. Eine Betrachtung der Versuche zur Materialkennwertermittlung liefert dabei mehr Aufschluss, ob jene Werte für einen konkreten Anwendungsfall aussagekräftig sind.
Die erzielbaren Eigenschaften sind des Weiteren stark abhängig vom angewendeten Verarbeitungsprozess. Speziell die Parameter des Aushärtezyklus‘ für das Laminat müssen sorgfältig definiert werden um das volle Potential des Werkstoffs ausnutzen zu können.
Bei der Festlegung von Radien auf der Außenfläche ist es wichtig, die voraussichtliche Laminatwandstärke mit zu berücksichtigen. Jede Faserlage reduziert den Radius und dies kann schlimmstenfalls zu einem spitzen Winkel oder Knick in den darauffolgenden Lagen führen. In der folgenden Abbildung ist das Problem mit drei Faserlagen skizziert.
So abgelegtes Fasermaterial erschwert das Kompaktieren im Aushärteprozess und beeinträchtigt die mechanische Leistungsfähigkeit des Bauteils.
Fazit: Radien eher zu groß als zu klein wählen!
Bei Faserverbundwerkstoffen (ausgenommen Wirrfaserlaminaten) ist es nicht ohne weiteres möglich, die Wandstärke nachträglich beliebig zu erhöhen oder zu reduzieren. Da der Laminataufbau symmetrisch sein sollte und je nach mechanischen Randbedingungen gewisse Faserorientierungen enthalten sollte, sind nur diskrete Schritte abhängig von der Schichtdicke des gewählten Faserverbundhalbzeugs möglich.
Falls absehbar ist, dass eine Wandstärkenanpassung notwendig werden könnte, sollte man passend zum ursprünglichen Halbzeug ein weiteres mit ca. der halben Einzellagendicke vorhalten, um Laminatschichten splitten, ersetzen und im Stacking verschieben zu können.
Faserverbundwerkstoffe wie Carbon werden aufgrund ihrer ansprechenden Optik nicht nur für Funktionsbauteile, sondern auch für Designelemente eingesetzt. Das tiefe Schwarz kombiniert mit den durchschimmernden Kohlefasern gewährleistet dabei ein sportliches aber zugleich elegantes Design. Beabsichtigt man ein solches Designelement mit optischen Ansprüchen zu entwickeln und herzustellen, sollte man sich bereits vorab über die Geometrie des Bauteils Gedanken machen. Komplexe Geometrien mit scharfen Kanten oder engen Radien beeinflussen die Drapierbarkeit des Laminats wesentlich. Je komplexer die Geometrie, desto schwieriger wird es letztendlich einen kontinuierlichen Faserverlauf ohne Verzug und Schnitte, wie auch eine schöne Oberfläche zu erzeugen.
