Handbuch Verbundwerkstoffe - Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung

Manfred Neitzel, Peter Mitschang, Ulf Breuer

Handbuch Verbundwerkstoffe

Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung

2014

576 Seiten

Format: PDF

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ISBN: 9783446436978

 

Inhaltsverzeichnis

8

Vorwort

18

Abkürzungsverzeichnis

20

1 Einführung

24

1.1 Stand der Technik

24

1.2 Technisch-wirtschaftliche Entwicklung

26

1.2.1 Einleitung

26

1.2.2 Der industrielle Einsatz

27

1.2.2.1 Luft- und Raumfahrt, Wehrtechnik

28

1.2.2.2 Migration in andere Branchen

30

1.2.2.3 Entwicklung des FKV-Marktes

34

1.2.3 Technisch-wirtschaftliche Entwicklung der Kohlenstofffasern

37

1.2.3.1 Status und Trends

37

1.2.3.2 Marktentwicklung

39

1.2.3.3 Mengenentwicklung

40

1.2.4 Ökonomische Bewertung der FKV-Verarbeitungstechnologien

42

1.2.4.1 Grundlagen

43

1.2.4.2 Bisherige Ansätze

44

1.2.4.3 Erweiterte Ansätze

46

1.2.5 Zusammenfassung

50

2 Werkstoffe

54

2.1 Fasern

54

2.1.1 Eigenschaften

54

2.1.2 Herstellung und Anwendung der Fasern

57

2.1.2.1 Glasfasern (GF)

57

2.1.2.2 Kohlenstofffasern (CF)

59

2.1.2.3 Aramidfasern

61

2.1.2.4 Polyethylenfasern

62

2.1.2.5 Naturfasern

62

2.1.2.6 Stahlfasern, Metallfasern

64

2.2 Matrixsysteme

65

2.2.1 Eigenschaften

65

2.2.2 Duroplaste

66

2.2.2.1 Herstellung und Anwendung

66

2.2.2.2 Polymerisations-Duroplaste

70

2.2.2.3 Polyadditions-Duroplaste

73

2.2.2.4 Polykondensations-Duroplaste

76

2.2.2.5 Biobasierte Duroplaste

77

2.2.3 Thermoplaste

79

2.2.3.1 Herstellung und Anwendung

79

2.2.3.2 Polymerisations-Thermoplaste

81

2.2.3.3 Polyadditions-Thermoplaste

82

2.2.3.4 Polykondensations-Thermoplaste

83

2.2.4 Biobasierte Thermoplaste

88

2.3 Grenzfläche und Grenzphase

90

2.3.1 Allgemeines

90

2.3.2 Charakterisierung der Grenzschicht

91

2.3.2.1 Duroplaste

91

2.3.2.2 Thermoplaste

92

3 Textile Halbzeuge

96

3.1 Halbzeugformen

96

3.1.1 Matten (Non-wovens)

97

3.1.1.1 Aerodynamische Vlieslegung

98

3.1.1.2 Nadelvliese

98

3.1.1.3 Chemisch fixierte Matten (Gebondete Vliese)

99

3.1.2 Gewebe

100

3.1.2.1 2D-Gewebe

100

3.1.2.2 3D-Gewebe

102

3.1.2.3 Abstands-Textilien

104

3.1.2.4 Spiralgewebe

105

3.1.3 Gelege

106

3.1.4 Flechten

108

3.1.5 Maschenware

112

3.1.5.1 Rundstricken

113

3.1.6 Technische Gesticke

113

3.1.7 Biaxialgewirke

115

4 Preformverfahren

118

4.1 Einleitung

118

4.2 Grundlagen

120

4.3 Direkte Preformherstellung

123

4.3.1 Standardverfahren

123

4.3.2 Direkte textiltechnische Preformverfahren

124

4.4 Sequentielle Preformherstellung

127

4.4.1 Binder-Umformtechnik

127

4.4.2 Textile Konfektionstechnik

128

4.4.2.1 Nähtechnik

128

4.4.2.2 Stichtypen für die Preform-Montage

132

4.4.2.3 Alternative Preform-Fügetechniken

147

4.4.3 Kontinuierliches Preforming

152

5 Imprägnierte Halbzeuge

158

5.1 Einleitung

158

5.2 Duroplastprepregs

159

5.2.1 Nicht-fließfähige Duroplastprepregs

159

5.2.2 Fließfähige Duroplastprepregs

161

5.3 Thermoplastische Prepregs und Halbzeuge

170

5.3.1 Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT)

170

5.3.2 Langglasfaserverstärkte Thermoplaste in Granulatform (LFT)

175

5.3.2.1 Pressrheometer zur prozessintegrierten Analyse

180

5.3.2.2 Rheometer für faserverstärkte Pressmassen

182

5.3.2.3 Strömungsprofil beim Pressvorgang

184

5.3.2.4 Rheometerkonzept

186

5.3.2.5 Ergebnisse

190

5.3.2.6 Fehlerabschätzung

193

5.3.3 Endlosfaserverstärkte Thermoplaste

194

5.3.3.1 Prozesskette zur Halbzeugherstellung

194

5.3.3.2 Prepregtechnologie

198

5.3.3.3 Unidirektionale Halbzeuge (UD-Tapes)

206

5.3.3.4 Multidirektionale, flächige Halbzeuge

209

5.3.4 Polymerfaserverstärkte Verbundwerkstoffe

216

6 Grundlagen der Verarbeitungs­prozesse

224

6.1 Einordnung der Verarbeitungsprozesse

224

6.2 Allgemeine Grundlagen

228

6.3 Grundlagen der Imprägnierung

232

6.3.1 Physikalische Grundlagen der Imprägnierung und Konsolidierung

232

6.3.2 Energietransfer

235

6.3.2.1 Konduktion

236

6.3.2.2 Konvektion

237

6.3.2.3 Strahlung

237

6.3.2.4 Modellierung des Wärmetransfers

239

6.3.3 Einfluss der Rheologie auf die Verarbeitung

241

6.3.3.1 Duroplaste

244

Thermoplaste

248

6.3.4 Grundlagen der Fließprozesse

250

6.3.4.1 Eindimensionales Fließen (1D)

251

6.3.4.2 Zweidimensionales Fließen (2D)

252

6.3.4.3 Dreidimensionales Fließen (3D)

254

6.3.5 Permeabilitätsmessung

255

6.3.5.1 Eindimensionale Permeabilitätsmessung (1D)

256

6.3.5.2 Zweidimensionale Permeabilitätsmessung (2D)

257

6.3.5.3 Dreidimensionales Permeabilitätsmessverfahren (3D)

260

6.3.5.4 Einflussgrößen auf die Permeabilität

262

6.4 Prozessketten

264

6.5 Qualitätsmanagement

266

6.5.1 Qualitätskontrolle

266

6.5.2 Sensorik zur Prozessüberwachung

267

6.5.3 Prozessregelung

268

6.6 Grundlagen der Simulation

270

6.6.1 Simulation der Fließpressverfahren

270

6.6.2 Simulation des Thermoformens von Organoblechen

272

6.6.3 Simulation der Harzinjektionsverfahren

275

6.6.4 Weitere Simulationsprogramme

280

7 Bauweisen und Smart Structures

300

7.1 Bauweisen

300

7.1.1 Einleitung

300

7.1.2 Bauweisenklassifizierung

301

7.1.2.1 Differential- und Integralbauweise

301

7.1.2.2 Integrierende Bauweise

302

7.1.2.3 Verbundbauweise

302

7.1.2.4 Sandwichbauweise

304

7.1.3 Leichtbau

304

7.1.4 Besonderheiten der FKV-Bauweisenentwicklung

306

7.1.4.1 Inhomogenität und Richtungsabhängigkeit

306

7.1.4.2 Umwelteinfluss

309

7.1.4.3 Werkstoffkonstruktion

310

7.1.4.4 Halbzeugvielfalt

311

7.1.5 Wechselwirkung zwischen Bauweise und Fertigungsprozess

311

7.1.6 Krafteinleitung und Verbindungstechnik

312

7.1.6.1 Mechanisches Fügen

312

7.1.6.2 Stoffliches Fügen

314

7.1.6.3 Weitere Fügeverfahren

317

7.1.7 Auslegung und Simulation

318

7.1.8 Beispiele für FKV-Bauweisen und Anwendungen

320

7.2 Smart Structures

323

7.2.1 Einleitung

323

7.2.2 Multifunktionale Werkstoffe

325

7.2.3 Integrationskonzepte

326

7.2.4 Multifunktionale Strukturen und Systeme

327

8 Autoklaventechnik

330

8.1 Einleitung

330

8.2 Anlagentechnik

330

8.3 Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen

332

8.4 Zykluskosten, Prozessparameter

8.4 Zykluskosten, Prozessparameter

334

334

8.5 Qualitätssicherung

336

8.6 Weitere Entwicklung

339

9 Pultrusionsverfahren

340

9.1 Einleitung

340

9.2 Grundlagen

341

9.3 Duroplast-Pultrusion

342

9.4 Thermoplast-Pultrusion

344

9.5 Verfahrenskombination

345

10 Wickel- und Legetechnik

348

10.1 Wickeltechnik

348

10.1.1 Einleitung

348

10.1.2 Verfahrensgrundlagen

349

10.1.3 Anlagentechnische Umsetzung

352

10.1.3.1 Duroplastwickeln

354

10.1.3.2 Thermoplastwickeln

357

10.1.4 Weitere Entwicklung

364

10.2 Tapelegetechnik

365

10.2.1 Einleitung

365

10.2.2 Duroplast-Tapelegen

367

10.2.2.1 Duroplast-Kontur-Tapelegen

370

10.2.2.2 Duroplast-Multi-Tapelegen

372

10.2.3 Thermoplast-Tapelegen

373

10.2.4 Abgrenzung der Legeverfahren

375

11 Harzinjektionsverfahren

380

11.1 Einleitung

380

11.2 Anwendungsfelder

381

11.3 Harzinjektions-Verfahrensvarianten

387

11.3.1 Vakuuminjektionsverfahren (VI)

388

11.3.2 Resin Transfer Molding (RTM)

389

11.3.3 Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM)

391

11.3.4 Weitere Verfahrensvarianten

392

11.3.4.1 Flächeninjektionsverfahren

393

11.3.4.2 Advanced RTM (ARTM)

395

11.3.4.3 Thermal Expansion RTM (TERTM)

396

11.3.4.4 Differential Pressure RTM (DPRTM)

396

11.3.4.5 Schlauchblas-RTM

397

11.3.4.6 Structural Reaction Injection Molding (SRIM)

398

11.3.4.7 Spaltimprägnierverfahren

399

11.3.4.8 Same Qualified – Resin Transfer Molding (SQ-RTM)

399

11.3.4.9 Nasspressen

400

11.4 Zusammenfassung

400

12 Pressverfahren

406

12.1 Einleitung

406

12.2 Fließpressverfahren

407

12.2.1 Fließpressen von LFT und GMT

407

12.2.2 Fließpressen von Sheet Molding Compound (SMC)

410

12.2.3 Vergleich der Matrixsysteme im Fließpressprozess

414

12.3 Thermoformen von Organoblechen

416

12.3.1 Einleitung

416

12.3.2 Umformprinzipien

417

12.3.3 Umformverfahren allgemein

418

12.3.3.1 Diaphragmaformen

420

12.3.3.2 Umformen mit Metallstempel

421

12.3.3.3 Umformen mit Elastomerblock

422

12.3.3.4 Umformen mit Silikonstempel

423

12.3.3.5 Quicktemp-Konzept

424

12.3.3.6 Direktimprägnieren

425

12.3.3.7 Direktformen

428

12.3.3.8 Druckunterstütztes Thermoformen

429

12.3.3.9 Zusammenfassende Darstellung der Thermoformverfahren

430

12.3.4 Dickenadaptives Umformen

431

12.3.4.1 Sandwich-Umformen

431

12.3.4.2 Wege zu Sandwichbauteilen aus Organoblechen

432

12.3.4.3 Sandwich-Umformen in mehreren Schritten

432

12.3.4.4 Sandwich-Umformen in einem Schritt

433

12.3.4.5 Tailored-Blank-Technologie

435

12.4 Rollformen von Faser-Kunststoff-Verbunden

438

12.4.1 Einleitung

438

12.4.1.1 Grundlagen des Rollformens

439

12.4.1.2 Rollformen von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden

441

12.4.1.3 Rollformen von duroplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden

442

12.4.1.4 Weitere Entwicklung und Potentiale

442

12.5 Verfahrenskombinationen mit Thermoformen (Hybridverfahren)

443

12.5.1 Thermoformen und Spritzguss

443

12.5.2 Thermoformen und Tapelegen

445

12.6 Direktverfahren

446

12.6.1 Direktverfahren zur Herstellung von SMC

447

12.6.2 Direktverfahren zur Herstellung von LFT

449

13 Bearbeitung, Oberflächenbehandlung

456

13.1 Einleitung

456

13.2 Bearbeitung

456

13.2.1 Grundlagen

456

13.2.2 Bohren

458

13.2.3 Sägen

459

13.2.4 Fräsen

460

13.2.5 Wasserstrahlschneiden

462

13.2.6 Laserstrahlschneiden

464

13.3 Oberflächencharakterisierung und -behandlung

465

13.3.1 Einleitung

465

13.3.2 Messgrößen

466

13.3.2.1 Topographie

467

13.3.3 Lackierung

471

13.3.4 Beschichtungen

473

14 Materialkreisläufe

478

14.1 Einleitung

478

14.2 Produktion, Materialkreisläufe und Nachhaltigkeit

479

14.3 Umwelt, Ökologie und Ökonomie

481

14.4 Gesetzliche Grundlagen

481

14.4.1 Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG)

482

14.4.2 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG)

482

14.4.3 Altfahrzeug-Verordnung (AltfahrzeugV)

483

14.5 Abfallhierarchie

483

14.6 Verwertungsmöglichkeiten

484

14.6.1 Werkstoffgruppe versus Werkstoff

485

14.6.2 Abfallvermeidung

485

14.6.3 Energetische Nutzung

486

14.6.4 Pyrolyse

487

14.6.5 Stoffliche Verwertung/Recycling

488

14.6.6 Verwendung in der Zementindustrie

488

14.7 Fazit

489

15 Fügeverfahren

492

15.1 Einleitung

492

15.2 Fügen von duroplastischen FKV

493

15.2.1 Nieten von duroplastischen FKV

493

15.2.2 Kleben von duroplastischen FKV

494

15.2.2.1 Vorbereitung der Oberflächen

494

15.2.2.2 Optimale Verarbeitung und Anwendung des Klebstoffs

496

15.2.2.3 Verkleben von Composites

496

15.2.3 Z-Pinning von duroplastischen FKV

498

15.3 Fügen von thermoplastischen FKV

498

15.3.1 Nieten von thermoplastischen FKV

498

15.3.2 Kleben von thermoplastischen FKV

499

15.3.3 Schweißen von thermoplastischen FKV

500

15.3.3.1 Ultraschallschweißen

501

15.3.3.2 Vibrationsschweißen

502

15.3.3.3 Heizelementschweißen

502

15.3.3.4 Hochfrequenzschweißen

503

15.3.3.5 Widerstandsschweißen

503

15.3.3.6 Induktionsschweißen

503

15.3.3.7 Laserschweißen

504

15.3.3.8 Vergleich der Schweißverfahren

505

15.4 Physikalische Grundlagen

508

15.5 Prüfmethoden-Auswahl

510

15.5.1 Geeignete Prüfmethoden für geschweißte Verbindungen

510

15.5.2 Zugscherversuch

510

15.5.3 Spannungsverteilung in der einfach überlappten Verbindung

511

15.5.4 Gestaltungskonzepte für überlappte Verbindungen

513

15.6 Beschreibung ausgewählter Verfahren

514

15.6.1 Vibrationsschweißen

514

15.6.1.1 Einfluss des Fügewegs

516

15.6.1.2 Einfluss des Schweißdrucks

516

15.6.1.3 Einfluss des variablen Schweißdrucks

517

15.6.2 Induktionsschweißen

518

15.6.2.1 Induktor- und Feldgeometrie

519

15.6.2.2 Prozessführung beim kontinuierlichen Schweißprozess

520

15.6.3 Verfahrensvergleich Vibrations-/Induktionsschweißen

522

16 Arbeitssicherheit

528

16.1 Einleitung

528

16.2 Grundlagen

529

16.3 Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG)

530

16.4 Arbeitssicherheitsgesetz (ASiG)

531

16.5 Gefahrstoffverordnung (GefStoffV)

531

16.6 Arbeitsstättenverordnung (ArbStättV)

532

16.7 Unfallverhütungsvorschriften

533

16.8 Detailbeschreibung verbundwerkstofftypischer Problemfelder

534

16.8.1 Allgemeine Arbeitsschutzmaßnahmen

534

16.8.2 Spezielle Gefahren beim Umgang mit Reaktionsharzen

535

16.8.3 Styrolemissionen und Möglichkeiten der Reduzierung

537

16.8.4 Sonstige Verfahren

539

16.8.5 Umgang mit textilen Glasfasern

539

16.8.6 Umgang mit textilen Kohlenstofffasern

540

16.8.7 Umgang mit Partikeln

540

16.9 Anlagensicherheit

541

17 Werkzeugbau

544

17.1 Einleitung

544

17.2 Fließpressverfahren

544

17.2.1 Komponenten zum Werkzeugbau

546

17.2.1.1 Führungs- und Zentrierelemente

546

17.2.1.2 Schieber

546

17.2.1.3 Auswerfer

546

17.2.1.4 Werkzeugheizung und -kühlung

547

17.2.1.5 Konstruktion und Maßgenauigkeit

548

17.2.2 Werkzeugstähle für den Formenbau

548

17.2.3 Oberflächenstrukturierung

549

17.3 Spritzgießen

549

17.4 Wickeltechnik

550

17.5 Pultrusionsverfahren

550

17.6 Harzinjektionsverfahren

551

17.7 Spezielle Werkzeugkonzepte

554

17.7.1 Prototypen- und Aluminium-Formwerkzeuge

554

17.7.2 Formenbau mit FKV

555

17.7.3 Formen für großflächige Teile

556

17.7.4 Schlauchblas-Werkzeuge

557

17.7.5 Variotherme Werkzeuge

558

Weiterführende Literatur

562

Die Autoren

564

Herausgeber

564

Mitverfasser

565

Index

568

 

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