Faserverbundwerkstoffe


Konstruktion und Dimensionierung


Ziele bei der Konstruktion

 
  • fasergerechte Formgestaltung, d.h. z.B. möglichst große Radien in Kanten oder flächige Bauteile statt Rohrverbunde
  • hohe Integrationsdichte, d.h. Zusammenfassung monofunktionaler Bauteile zu einem multifunktionalen Bauteil. Dadurch entfallen die sonst nötigen Verbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen.


  • Je nach Art und Einsatz kann ein Bauteil ausgelegt werden auf Steifigkeit, Festigkeit und / oder Stabilität :
     
  • Steifigkeit : bei großflächigen und im Versagensfall nicht lebenswichtigen Bauteilen ( z.B. Verkleidungsteile )
  • Festigkeit : bei im Versagensfall lebenswichtigen Bauteilen ( wie z.B. Gabel )
  • Stabilität : Unter Stabilitätsproblemen versteht man v.a. das Knicken von Stäben und Beulen von Platten oder Schalenbauteilen infolge hoher Druckkräfte in Bauteilebene. Dieses Problem läßt sich in erster Linie durch Optimierung der Bauteilform lösen, also z.B. großvolumige Rippen in Schalen ( wie ich auch die innere Karosse konstruiert habe ).


  • Vorgehensweise bei der Berechnung und Dimensionierung

      Eine Berechnung ist bei FVW nur sehr eingeschränkt möglich, da es im Gegensatz zu homogenen Materialien wie Alu oder Stahl "den" FVW nicht gibt. Neben den Fasermoduln und der Richtung der Fasern müssen auch Art und Güte der Verarbeitung u.v.m. berücksichtigt werden. Bei komplexen Bauteilen wie z.B. der inneren Karosse bei MagicScooter2 mit zudem noch schwer zu bestimmenden Lastfällen käme lediglich noch eine Berechnung mit FEM-Programmen in Frage, was mir aber deutlich zu aufwändig erschien.
    Alternativ können Erfahrungswerte sowie überschlägige Berechnungen hinzugezogen werden. Um bei komplizierten Bauteilen das Tragprinzip erfassen bzw. deren Schwachstellen lokalisieren zu können, besteht zudem die Möglichkeit, einen Prototypen ( bei kleinen Teilen ) oder ein Modell zu bauen und diese dann in möglichst praxisnaher Art und Weise zu belasten.
    Bei den meisten Bauteilen ist die Steifigkeit maßgebend. Diese Berechnung ist weitaus einfacher als die Festigkeitsberechnung, bei der Spannungssprünge von Schicht zu Schicht ermittelt werden und die somit für jede Einzelschicht durchgeführt werden muß.
    Bei der Steifigkeitsberechnung ist v.a. der Faseranteil des gesamten Laminats in einer bestimmten Richtung wichtig.


    Allgemeine Regeln zur Bestimmung des Laminataufbaus :

      Dimensionierung bedeutet bei Faserverbundwerkstoffen nicht nur Bestimmung der erforderlichen Dicke, denn es gibt nicht "den" FVW. Er muß erst je nach Bedürfnis mit folgenden Parametern modelliert werden :
  • Faserart ( Material und Bindung )
  • Schichtanzahl ( um auf die mit der gewählten Kombination der Parameter erforderliche Dicke zu kommen )
  • Schichtenfolge
    Die Einzelschicht mit der niedrigsten Zwischenfaserbruch-Gefahr ( der Bruch findet in diesem Fall zwischen den Fasern statt, also in der Matrix bzw. an der Grenzfläche Matrix-Faser ) sollte an der Außenseite des Laminats angeordnet werden ( also z.B. Leinwandgewebe außen und UD-Schichten innen )
    Zudem sollten die Gewebe im Laminat möglichst gleichmäßig und symmetrisch angeordnet werden.
  • Faserrichtungen
    Gezielte Ausnutzung der Anisotropie durch Anordnung der Fasern zu einem großen Anteil in Hauptspannungsrichtung. Je unsicherer man sich über den Verlauf der Spannungen ist, umso mehr muß man die Fasern "quasi-isotrop" anordnen, d.h. in allen Richtungen gleichmäßig verteilt.
    Sog. "interlaminare Spannungen" an freien Laminaträndern, also an Löchern, Kanten, Krafteinleitungen, etc. können zur Delamination der einzelnen Schichten führen. Diese Gefahr kann vermindert werden durch eine möglichst geringe Differenz der Orientierungswinkel zwischen den Lagen, also z.B. nicht 2 UD-Schichten um 90 verdreht übereinander.

  • Allgemeines
    Sandwich-Bauweise
    Formenbau