Handbuch Verbundwerkstoffe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Abkürzungsverzeichnis

1 Einführung

1.1?Stand der Technik

1.2?Technisch-wirtschaftliche Entwicklung

1.2.1?Einleitung

1.2.2?Der industrielle Einsatz

1.2.2.1?Luft- und Raumfahrt, Wehrtechnik

1.2.2.2?Migration in andere Branchen

1.2.2.3?Entwicklung des FKV-Marktes

1.2.3?Technisch-wirtschaftliche Entwicklung der Kohlenstofffasern

1.2.3.1?Status und Trends

1.2.3.2?Marktentwicklung

1.2.3.3?Mengenentwicklung

1.2.4?Ökonomische Bewertung der FKV-Verarbeitungstechnologien

1.2.4.1?Grundlagen

1.2.4.2?Bisherige Ansätze

1.2.4.3?Erweiterte Ansätze

1.2.5?Zusammenfassung

2 Werkstoffe

2.1?Fasern

2.1.1?Eigenschaften

2.1.2?Herstellung und Anwendung der Fasern

2.1.2.1?Glasfasern (GF)

2.1.2.2?Kohlenstofffasern (CF)

2.1.2.3?Aramidfasern

2.1.2.4?Polyethylenfasern

2.1.2.5?Naturfasern

2.1.2.6?Stahlfasern, Metallfasern

2.2?Matrixsysteme

2.2.1?Eigenschaften

2.2.2?Duroplaste

2.2.2.1?Herstellung und Anwendung

2.2.2.2?Polymerisations-Duroplaste

2.2.2.3?Polyadditions-Duroplaste

2.2.2.4?Polykondensations-Duroplaste

2.2.2.5?Biobasierte Duroplaste

2.2.3?Thermoplaste

2.2.3.1?Herstellung und Anwendung

2.2.3.2?Polymerisations-Thermoplaste

2.2.3.3?Polyadditions-Thermoplaste

2.2.3.4?Polykondensations-Thermoplaste

2.2.4?Biobasierte Thermoplaste

2.3?Grenzfläche und Grenzphase

2.3.1?Allgemeines

2.3.2?Charakterisierung der Grenzschicht

2.3.2.1?Duroplaste

2.3.2.2?Thermoplaste

3 Textile Halbzeuge

3.1?Halbzeugformen

3.1.1?Matten (Non-wovens)

3.1.1.1?Aerodynamische Vlieslegung

3.1.1.2?Nadelvliese

3.1.1.3?Chemisch fixierte Matten (Gebondete Vliese)

3.1.2?Gewebe

3.1.2.1?2D-Gewebe

3.1.2.2?3D-Gewebe

3.1.2.3?Abstands-Textilien

3.1.2.4?Spiralgewebe

3.1.3?Gelege

3.1.4?Flechten

3.1.5?Maschenware

3.1.5.1?Rundstricken

3.1.6?Technische Gesticke

3.1.7?Biaxialgewirke

4 Preformverfahren

4.1?Einleitung

4.2?Grundlagen

4.3?Direkte Preformherstellung

4.3.1?Standardverfahren

4.3.2?Direkte textiltechnische Preformverfahren

4.4?Sequentielle Preformherstellung

4.4.1?Binder-Umformtechnik

4.4.2?Textile Konfektionstechnik

4.4.2.1?Nähtechnik

4.4.2.2?Stichtypen für die Preform-Montage

4.4.2.3?Alternative Preform-Fügetechniken

4.4.3?Kontinuierliches Preforming

5 Imprägnierte Halbzeuge

5.1?Einleitung

5.2?Duroplastprepregs

5.2.1?Nicht-fließfähige Duroplastprepregs

5.2.2?Fließfähige Duroplastprepregs

5.3?Thermoplastische Prepregs und Halbzeuge

5.3.1?Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT)

5.3.2?Langglasfaserverstärkte Thermoplaste in Granulatform (LFT)

5.3.2.1?Pressrheometer zur prozessintegrierten Analyse

5.3.2.2?Rheometer für faserverstärkte Pressmassen

5.3.2.3?Strömungsprofil beim Pressvorgang

5.3.2.4?Rheometerkonzept

5.3.2.5?Ergebnisse

5.3.2.6?Fehlerabschätzung

5.3.3?Endlosfaserverstärkte Thermoplaste

5.3.3.1?Prozesskette zur Halbzeugherstellung

5.3.3.2?Prepregtechnologie

5.3.3.3?Unidirektionale Halbzeuge (UD-Tapes)

5.3.3.4?Multidirektionale, flächige Halbzeuge

5.3.4?Polymerfaserverstärkte Verbundwerkstoffe

6 Grundlagen der Verarbeitungs­prozesse

6.1?Einordnung der Verarbeitungsprozesse

6.2?Allgemeine Grundlagen

6.3?Grundlagen der Imprägnierung

6.3.1?Physikalische Grundlagen der Imprägnierung und Konsolidierung

6.3.2?Energietransfer

6.3.2.1?Konduktion

6.3.2.2?Konvektion

6.3.2.3?Strahlung

6.3.2.4?Modellierung des Wärmetransfers

6.3.3?Einfluss der Rheologie auf die Verarbeitung

6.3.3.1?Duroplaste

Thermoplaste

6.3.4?Grundlagen der Fließprozesse

6.3.4.1?Eindimensionales Fließen (1D)

6.3.4.2?Zweidimensionales Fließen (2D)

6.3.4.3?Dreidimensionales Fließen (3D)

6.3.5?Permeabilitätsmessung

6.3.5.1?Eindimensionale Permeabilitätsmessung (1D)

6.3.5.2?Zweidimensionale Permeabilitätsmessung (2D)

6.3.5.3?Dreidimensionales Permeabilitätsmessverfahren (3D)

6.3.5.4?Einflussgrößen auf die Permeabilität

6.4?Prozessketten

6.5?Qualitätsmanagement

6.5.1?Qualitätskontrolle

6.5.2?Sensorik zur Prozessüberwachung

6.5.3?Prozessregelung

6.6?Grundlagen der Simulation

6.6.1?Simulation der Fließpressverfahren

6.6.2?Simulation des Thermoformens von Organoblechen

6.6.3?Simulation der Harzinjektionsverfahren

6.6.4?Weitere Simulationsprogramme

7 Bauweisen und Smart Structures

7.1?Bauweisen

7.1.1?Einleitung

7.1.2?Bauweisenklassifizierung

7.1.2.1?Differential- und Integralbauweise

7.1.2.2?Integrierende Bauweise

7.1.2.3?Verbundbauweise

7.1.2.4?Sandwichbauweise

7.1.3?Leichtbau

7.1.4?Besonderheiten der FKV-Bauweisenentwicklung

7.1.4.1?Inhomogenität und Richtungsabhängigkeit

7.1.4.2?Umwelteinfluss

7.1.4.3?Werkstoffkonstruktion

7.1.4.4?Halbzeugvielfalt

7.1.5?Wechselwirkung zwischen Bauweise und Fertigungsprozess

7.1.6?Krafteinleitung und Verbindungstechnik

7.1.6.1?Mechanisches Fügen

7.1.6.2?Stoffliches Fügen

7.1.6.3?Weitere Fügeverfahren

7.1.7?Auslegung und Simulation

7.1.8?Beispiele für FKV-Bauweisen und Anwendungen

7.2?Smart Structures

7.2.1?Einleitung

7.2.2?Multifunktionale Werkstoffe

7.2.3?Integrationskonzepte

7.2.4?Multifunktionale Strukturen und Systeme

8 Autoklaventechnik

8.1?Einleitung

8.2?Anlagentechnik

8.3?Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen

8.4?Zykluskosten, Prozessparameter und Verbrauchsmaterialien

8.5?Qualitätssicherung

8.6?Weitere Entwicklung

9 Pultrusionsverfahren

9.1?Einleitung

9.2?Grundlagen

9.3?Duroplast-Pultrusion

9.4?Thermoplast-Pultrusion

9.5?Verfahrenskombination

10 Wickel- und Legetechnik

10.1?Wickeltechnik

10.1.1?Einleitung

10.1.2?Verfahrensgrundlagen

10.1.3?Anlagentechnische Umsetzung

10.1.3.1?Duroplastwickeln

10.1.3.2?Thermoplastwickeln

10.1.4?Weitere Entwicklung

10.2?Tapelegetechnik

10.2.1?Einleitung

10.2.2?Duroplast-Tapelegen

10.2.2.1?Duroplast-Kontur-Tapelegen

10.2.2.2?Duroplast-Multi-Tapelegen

10.2.3?Thermoplast-Tapelegen

10.2.4?Abgrenzung der Legeverfahren

11 Harzinjektionsverfahren

11.1?Einleitung

11.2?Anwendungsfelder

11.3?Harzinjektions-Verfahrensvarianten

11.3.1?Vakuuminjektionsverfahren (VI)

11.3.2?Resin Transfer Molding (RTM)

11.3.3?Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM)

11.3.4?Weitere Verfahrensvarianten

11.3.4.1?Flächeninjektionsverfahren

11.3.4.2?Advanced RTM (ARTM)

11.3.4.3?Thermal Expansion RTM (TERTM)

11.3.4.4?Differential Pressure RTM (DPRTM)

11.3.4.5?Schlauchblas-RTM

11.3.4.6?Structural Reaction Injection Molding (SRIM)

11.3.4.7?Spaltimprägnierverfahren

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

11.3.4.9?Nasspressen

11.4?Zusammenfassung

12 Pressverfahren

12.1?Einleitung

12.2?Fließpressverfahren

12.2.1?Fließpressen von LFT und GMT

12.2.2?Fließpressen von Sheet Molding Compound (SMC)

12.2.3?Vergleich der Matrixsysteme im Fließpressprozess

12.3?Thermoformen von Organoblechen

12.3.1?Einleitung

12.3.2?Umformprinzipien

12.3.3?Umformverfahren allgemein

12.3.3.1?Diaphragmaformen

12.3.3.2?Umformen mit Metallstempel

12.3.3.3?Umformen mit Elastomerblock

12.3.3.4?Umformen mit Silikonstempel

12.3.3.5?Quicktemp-Konzept

12.3.3.6?Direktimprägnieren

12.3.3.7?Direktformen

12.3.3.8?Druckunterstütztes Thermoformen

12.3.3.9?Zusammenfassende Darstellung der Thermoformverfahren

12.3.4?Dickenadaptives Umformen

12.3.4.1?Sandwich-Umformen

12.3.4.2?Wege zu Sandwichbauteilen aus Organoblechen

12.3.4.3?Sandwich-Umformen in mehreren Schritten

12.3.4.4?Sandwich-Umformen in einem Schritt

12.3.4.5?Tailored-Blank-Technologie

12.4?Rollformen von Faser-Kunststoff-Verbunden

12.4.1?Einleitung

12.4.1.1?Grundlagen des Rollformens

12.4.1.2?Rollformen von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden

12.4.1.3?Rollformen von duroplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden

12.4.1.4?Weitere Entwicklung und Potentiale

12.5? Verfahrenskombinationen mit Thermoformen (Hybridverfahren)

12.5.1?Thermoformen und Spritzguss

12.5.2?Thermoformen und Tapelegen

12.6?Direktverfahren

12.6.1?Direktverfahren zur Herstellung von SMC

12.6.2?Direktverfahren zur Herstellung von LFT

13 Bearbeitung, Oberflächenbehandlung

13.1?Einleitung

13.2?Bearbeitung

13.2.1?Grundlagen

13.2.2?Bohren

13.2.3?Sägen

13.2.4?Fräsen

13.2.5?Wasserstrahlschneiden

13.2.6?Laserstrahlschneiden

13.3?Oberflächencharakterisierung und -behandlung

13.3.1?Einleitung

13.3.2?Messgrößen

13.3.2.1?Topographie

13.3.3?Lackierung

13.3.4?Beschichtungen

14 Materialkreisläufe

14.1?Einleitung

14.2?Produktion, Materialkreisläufe und Nachhaltigkeit

14.3?Umwelt, Ökologie und Ökonomie

14.4?Gesetzliche Grundlagen

14.4.1?Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG)

14.4.2?Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG)

14.4.3?Altfahrzeug-Verordnung (AltfahrzeugV)

14.5?Abfallhierarchie

14.6?Verwertungsmöglichkeiten

14.6.1?Werkstoffgruppe versus Werkstoff

14.6.2?Abfallvermeidung

14.6.3?Energetische Nutzung

14.6.4?Pyrolyse

14.6.5?Stoffliche Verwertung/Recycling

14.6.6?Verwendung in der Zementindustrie

14.7?Fazit

15 Fügeverfahren

15.1?Einleitung

15.2?Fügen von duroplastischen FKV

15.2.1?Nieten von duroplastischen FKV

15.2.2?Kleben von duroplastischen FKV

15.2.2.1?Vorbereitung der Oberflächen

15.2.2.2?Optimale Verarbeitung und Anwendung des Klebstoffs

15.2.2.3?Verkleben von Composites

15.2.3?Z-Pinning von duroplastischen FKV

15.3?Fügen von thermoplastischen FKV

15.3.1?Nieten von thermoplastischen FKV

15.3.2?Kleben von thermoplastischen FKV

15.3.3?Schweißen von thermoplastischen FKV

15.3.3.1?Ultraschallschweißen

15.3.3.2?Vibrationsschweißen

15.3.3.3?Heizelementschweißen

15.3.3.4?Hochfrequenzschweißen

15.3.3.5?Widerstandsschweißen

15.3.3.6?Induktionsschweißen

15.3.3.7?Laserschweißen

15.3.3.8?Vergleich der Schweißverfahren

15.4?Physikalische Grundlagen

15.5?Prüfmethoden-Auswahl

15.5.1?Geeignete Prüfmethoden für geschweißte Verbindungen

15.5.2?Zugscherversuch

15.5.3?Spannungsverteilung in der einfach überlappten Verbindung

15.5.4?Gestaltungskonzepte für überlappte Verbindungen

15.6?Beschreibung ausgewählter Verfahren

15.6.1?Vibrationsschweißen

15.6.1.1?Einfluss des Fügewegs

15.6.1.2?Einfluss des Schweißdrucks

15.6.1.3?Einfluss des variablen Schweißdrucks

15.6.2?Induktionsschweißen

15.6.2.1?Induktor- und Feldgeometrie

15.6.2.2?Prozessführung beim kontinuierlichen Schweißprozess

15.6.3?Verfahrensvergleich Vibrations-/Induktionsschweißen

16 Arbeitssicherheit

16.1?Einleitung

16.2?Grundlagen

16.3?Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG)

16.4?Arbeitssicherheitsgesetz (ASiG)

16.5?Gefahrstoffverordnung (GefStoffV)

16.6?Arbeitsstättenverordnung (ArbStättV)

16.7?Unfallverhütungsvorschriften

16.8?Detailbeschreibung verbundwerkstofftypischer Problemfelder

16.8.1?Allgemeine Arbeitsschutzmaßnahmen

16.8.2?Spezielle Gefahren beim Umgang mit Reaktionsharzen

16.8.3?Styrolemissionen und Möglichkeiten der Reduzierung

16.8.4?Sonstige Verfahren

16.8.5?Umgang mit textilen Glasfasern

16.8.6?Umgang mit textilen Kohlenstofffasern

16.8.7?Umgang mit Partikeln

16.9?Anlagensicherheit

17 Werkzeugbau

17.1?Einleitung

17.2?Fließpressverfahren

17.2.1?Komponenten zum Werkzeugbau

17.2.1.1?Führungs- und Zentrierelemente

17.2.1.2?Schieber

17.2.1.3?Auswerfer

17.2.1.4?Werkzeugheizung und -kühlung

17.2.1.5?Konstruktion und Maßgenauigkeit

17.2.2?Werkzeugstähle für den Formenbau

17.2.3?Oberflächenstrukturierung

17.3?Spritzgießen

17.4?Wickeltechnik

17.5?Pultrusionsverfahren

17.6?Harzinjektionsverfahren

17.7?Spezielle Werkzeugkonzepte

17.7.1?Prototypen- und Aluminium-Formwerkzeuge

17.7.2?Formenbau mit FKV

17.7.3?Formen für großflächige Teile

17.7.4?Schlauchblas-Werkzeuge

17.7.5?Variotherme Werkzeuge

Weiterführende Literatur

Die Autoren

Herausgeber

Mitverfasser

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