Konstruieren mit Kunststoffen

Vorwort zur vierten Auflage

Inhalt

Zur Geschichte der Polymerwerkstoffe

1 Marktüberblick

1.1 Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Branchen

1.1.1 Luft- und Raumfahrt

1.1.2 Feinwerktechnik

1.1.3 Fahrzeugbau

1.1.4 Allgemeiner Maschinenbau

1.1.5 Apparatebau

1.1.6 Bauwesen

1.2 Prognose

Literatur

2 Struktur und Eigenschaften

2.1 Chemische Struktur (Konstitution)

2.1.1 Polymerisationsgrad – relative Molekülmasse

2.1.2 Homopolymerisation – Copolymerisation

2.2 Zwischenmolekulare Bindungsenergien(Nebenvalenzbindungen)

2.2.1 Wasseraufnahme bei Polyamiden

2.3 Räumliche Anordnung von Atomen und Atomgruppenim Molekül (Konfiguration)

2.3.1 Taktizität

2.3.2 Verzweigung

2.3.3 Vernetzung

2.4 Aufbau von Polymersystemen

2.4.1 Homogene und heterogene Polymermischungen

2.4.2 Äußere Weichmachung

2.4.3 Füllung – Verstärkung

2.5 Morphologie (übermolekulare Strukturen)

2.5.1 Amorpher Gefügezustand

2.5.2 Kristalliner Gefügezustand

2.5.3 Anisotropie

2.5.3.1 Molekülorientierungen

2.5.3.2 Füllstofforientierungen

2.6 Thermisch-mechanische Zustandsbereiche

2.6.1 Thermoplaste mit amorpher Gefügestruktur

2.6.2 Thermoplaste mit teilkristalliner Gefügestruktur

2.6.3 Elastomere

2.6.4 Duroplaste

Literatur

3 Kurzcharakterisierung wichtigerPolymerwerkstoffe für konstruktiveAnwendungen

3.1 Thermoplaste

3.1.1 Polymerblends

3.1.2 Funktionspolymere

3.2 Elastomere

3.3 Duromere

3.4 Verstärkungsfasern

3.4.1 Glasfasern

3.4.1.1 Herstellung und Verstärkungsformen von Textilglas

3.4.1.2 Glasarten und Fasereigenschaften

3.4.2 Kohlenstoff-Fasern

3.4.3 Aramidfasern

3.4.4 Metallfasern, Whisker, keramische Fasern

Literatur

4 Eigenschaften – Werkstoffkennwerte –spezielle Prüfverfahren undVerhaltensweisen

4.1 Verformungsverhalten unter uniaxialer, zügigerZugbeanspruchung (Spannungs-Dehnungs-Versuch)

4.1.1 Molekulare Verformungs- und Schädigungsmechanismen

4.1.2 Charakteristische Spannungs-Dehnungs-Kurven

4.1.3 Ermittlung von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen undWerkstoffkenndaten

4.1.4 Einfluss von Temperatur, Zeit und Feuchteauf Spannungs-Dehnungs-Kurven

4.1.5 Mathematische Beschreibung von Spannungs-Dehnungs-Kurven

4.2 Verformungsverhalten unter uniaxialer, langzeitiger,statischer Zugbeanspruchung (Zeitstand-Zug-Versuch)

4.2.1 Mathematische Beschreibung von Kriechkurven

4.3 Zähigkeit und Schlagzähigkeit

4.3.1 Zähigkeit aus dem Zugversuch

4.3.2 Zähigkeit aus dem Schlagbiegeversuch

4.3.3 Durchstoßversuch

4.4 Verhalten unter schwingender Beanspruchung

4.4.1 Ermittlung charakteristischer Ermüdungskennwerte

4.5 Querkontraktionszahl

4.6 Thermische Eigenschaften

4.6.1 Wärmedehnung

4.6.2 Formbeständigkeit

4.6.2.1 Elastizitätsmodul, Schubmodul als Funktion der Temperatur

4.6.2.2 Wärmeformbeständigkeitstemperatur

4.6.2.3 Erweichungstemperatur

4.6.3 Thermische Alterung

4.6.3.1 Sicherheitstechnische Aspekte

4.6.4 Zusammenfassende Bewertung des Temperatureinflusses

4.7 Reibungs- und Verschleißverhalten

4.7.1 Grundlagen

4.7.1.1 Adhäsion und Oberflächenenergie von Festkörpern

4.7.1.2 Deformationen und Hysteresisverluste

4.7.1.3 Rahmenbedingungen für adhäsiv und deformativ bedingtes Gleiten

4.7.2 Reibung und Verschleiß bei Polymerwerkstoff/Stahl-Paarungen

4.7.2.1 Einfluss der Oberflächenrauheit des Stahlpartners

4.7.2.2 Einfluss der relativen Molekülmasse

4.7.2.3 Einfluss des Feuchtegehalts im Polyamid

4.7.2.4 Einfluss energiereicher Bestrahlung

4.7.2.5 Einfluss der Bewegungsform und des Bewegungsablaufes

4.7.3 Reibung und Verschleiß bei Polymerwerkstoff/Polymerwerkstoff-Paarungen

4.7.3.1 Gleitreibung

4.7.3.2 Gleitverschleiß

4.7.4 Zusammenfassung der Einflüsse von Werkstoffeigenschaftenauf Systemeigenschaften

4.7.5 Einfluss von Füll- und Verstärkungsstoffen

4.7.5.1 Einfluss von Fasern auf den Verschleiß

4.7.5.2 Einfluss von anderen, anorganischen Zusätzen

4.7.5.3 Einfluss von polymeren Zusätzen

4.7.5.4 Einfluss von polymeren und härteerhöhenden Zusätzen

4.7.5.5 Einfluss von Zusätzen auf amorphe Thermoplaste

4.7.6 Stick-Slip (Ruckgleiten)

4.7.6.1 Beeinflussung des Stick-Slip-Verhaltens durch Parameterdes Gleitsystems

4.7.7 Strahlverschleiß

Literatur

5 Berechnen von mechanisch beanspruchtenStrukturen an Beispielen geometrischeinfacher Bauteile und statisch bestimmterLastfälle

5.1 Werkstoff- und verarbeitungsspezifische Probleme

5.1.1 Verformungsverhalten unter uniaxialer, zügigerZugbeanspruchung

5.2 Festigkeitsnachweis

5.2.1 Grundsätzliches Vorgehen bei einer Festigkeitsbetrachtung

5.2.1.1 Dimensionierungskennwerte

5.2.1.2 Sicherheitsbeiwerte

5.2.1.3 Abminderungsfaktoren

5.2.2 Einachsiger Spannungszustand

5.2.2.1 Beispiel des dünnwandigen Rohres unter Innendruck

5.2.3 Mehrachsiger Spannungszustand

5.2.3.1 Versagenskriterien

5.2.3.2 Beispiele zum Belastungsfall der Scherung

5.3 Berechnung von Dehnungen und Verformungen

5.3.1 Linear-elastisches Materialverhalten

5.3.2 Nichtlinear-elastisches Materialverhalten

5.4 Spannungs- und Verformungsanalysen vonbiegebeanspruchten Strukturen mit Hilfe einereinfachen FE-Betrachtung

5.5 Berechnung stoßartig beanspruchter Bauteile

5.6 Zur Berechnung von Faserverbund-Strukturen

5.6.1 Mechanische Eigenschaften von Laminaten

5.6.1.1 Verformungsverhalten unter uniaxaler Zugbeanspruchung,Schädigungsgrenze

5.6.1.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht

5.6.1.3 Gemittelte Kennwerte von Mattenlaminaten

5.6.2 Berechnungsverfahren

5.6.2.1 Berechnung mit gemittelten Kennwerten

5.6.2.2 Kontinuumstheorie

5.6.2.3 Netztheorie

5.7 Rechnergestützte Entwicklung

5.7.1 CAD – Computer Aided Design

5.7.2 Rapid Prototyping

5.7.3 Rapid Tooling

Literatur

6 Werkstoff- und beanspruchungsgerechteKonstruktion

6.1 Weiche Konstruktionen

6.1.1 Elastizitätsmodul

6.1.2 Flächenträgheitsmoment

6.1.3 Beanspruchungsart

6.2 Biegesteife Konstruktionen

6.3 Biegeweiche-torsionssteife Konstruktionen

6.4 Biegesteife-torsionsweiche Konstruktionen

6.5 Torsionsfeste, torsionssteife Konstruktionen

6.6 Biegesteife und torsionssteife Konstruktionen

6.7 Torsionsweiche Konstruktionen

6.8 Zugfeste-, zugsteife-torsionsweiche Konstruktionen

6.9 Schubfeste, schubsteife Konstruktionen

6.10 Drucknachgiebige und drucksteife Konstruktionen

6.11 Multifunktionale Konstruktionen

6.12 Wärmedehnungen und Wärmespannungen

6.13 Gelenkverbindungen

6.14 Kunststoff/Metall-Hybridkonstruktionen

Literatur

7 Fertigungsgerechte Konstruktion

7.1 Formfüllung

7.1.1 Simulation des Füllvorgangs

7.1.2 Ursachen zur Entstehung von Orientierungen

7.1.2.1 Auswirkungen von Orientierungen

7.1.2.2 Beeinflussung von Orientierungen

7.1.3 Ursachen zur Entstehung von Bindenähten und Lufteinschlüssen

7.1.3.1 Auswirkungen von Bindenähten und Lufteinschlüssen

7.1.3.2 Beeinflussung von Bindenähten und Lufteinschlüsse

7.2 Abkühlung und Erstarrung

7.2.1 Abkühlgeschwindigkeit

7.2.1.1 Auswirkungen der Abkühlgeschwindigkeit

7.2.1.2 Beeinflussung der Kühlgeschwindigkeit

7.2.2 Maßänderungen und Toleranzen

7.2.2.1 Schwindung

7.2.2.2 Nachschwindung

7.2.2.3 Toleranzen*

7.2.3 Verzug

7.2.3.1 Ursachen für Verzug

7.2.3.2 Beeinflussung von Verzug

7.3 Entformung

7.3.1 Entformungsschräge

7.3.2 Entformung von Hinterschneidungen

7.3.2.1 Zwangsentformung

7.3.2.2 Werkzeugtechnische Maßnahmen

7.3.2.3 Schmelzkerne

7.3.3 Vermeiden von Hinterschneidungen

7.3.3.1 Änderungen des Designs

7.3.3.2 Durchtauchende Kerne (Durchblocken)

7.3.3.3 Mehrteilige Ausführungen

7.4 Mehrkomponenten-Spritzgießen

7.4.1 Zweifarbenspritzguss

7.4.2 Hart-Weich-Kombinationen

7.4.3 Gasinjektionstechnik (GIT)*

7.4.4 Wasserinjektionstechnik (WIT)

7.4.5 Gasaußendrucktechnik (GAT)

Literatur

8 Biegeelemente

8.1 Schnappverbindungen

8.1.1 Schnapphaken

8.1.1.1 Formvarianten

8.1.1.2 Berechnung*

8.1.1.3 Zusatzfunktionen

8.1.2 Torsionsschnappverbindung

8.1.2.1 Formvarianten

8.1.2.2 Berechnung*

8.1.3 Ringschnappverbindung

8.1.3.1 Formvarianten

8.1.3.2 Berechnung*

8.1.3.3 Zusatzfunktionen

8.1.4 Segmentierte Ringschnappverbindung

8.1.4.1 Formvarianten

8.1.4.2 Berechnung*

8.1.4.3 Zusatzfunktionen

8.2 Federelemente

8.2.1 Federn aus thermoplastischen Polymerwerkstoffen

8.2.1.1 Biegefeder

8.2.1.2 Zugfedern

8.2.1.3 Druckfedern

8.2.1.4 Drehfedern

8.2.2 Federn aus Faser-Kunststoff-Verbunden (GFK, CFK)

8.2.2.1 Blattfedern

8.3 Filmscharniere und Filmgelenke

8.3.1 Herstellung

8.3.1.1 Spritzgießen

8.3.1.2 Blasformen

8.3.1.3 Prägen

8.3.2 Gestaltung

8.3.3 Werkstoffe

8.3.4 Berechnung

8.3.4.1 Berechnung der Filmlänge und Filmdicke

8.3.5 Anwendungsbeispiele

8.3.5.1 Deckel/Gehäuseverbindungen

8.3.5.2 Vereinfachte Herstellung

8.3.5.3 Montagehilfe oder unverlierbare Anbindung

8.3.5.4 Dynamisch beanspruchte Filmgelenke

8.3.5.5 Bistabile Gelenke

Literatur

9 Schraubverbindungen

9.1 Geformtes oder spanend gefertigtes Gewinde

9.1.1 Schrauben aus Polymerwerkstoff

9.1.2 Spritzgegossene, blasgeformte, spanend gefertigte Gewinde

9.1.3 Bewegungsgewinde

9.2 Gewindeeinsätze

9.2.1 Umspritzte Gewindebuchsen

9.2.2 Mit Ultraschall eingebettete Gewindebuchsen

9.2.3 Eingepresste Gewindebuchsen

9.2.4 Spreizeinsätze (Expansionseinsätze)

9.2.5 Eingeschraubte Einsätze

9.2.6 Einsätze aus Polymerwerkstoffen

9.2.7 Vergleichende Bewertung der verschiedenen Einsätze

9.2.8 Verhalten unter dynamischer Belastung

9.3 Gewindeformende Schrauben

9.3.1 Schraubenformen und -geometrien

9.3.1.1 Flankenwinkel

9.3.1.2 Selbsthemmung

9.3.2 Gestaltung des Einschraubauges (Tubus)*

9.3.2.1 Einschraubtiefe

9.3.2.2 Kernlochdurchmesser

9.3.2.3 Entlastungsbohrung

9.3.2.4 Außendurchmesser

9.3.3 Berechnung von Kenngrößen einer Schraubverbindung

9.3.3.1 Eindrehmoment

9.3.3.2 Überdrehmoment

9.3.3.3 Auszugkraft

9.3.3.4 Anziehmoment und Vorspannkraft

9.3.3.5 Montagebedingungen

Literatur

10 Rippenkonstruktionen

10.1 Vergleich mit anderen Versteifungsmaßnahmen

10.1.1 Erhöhung des Elastizitätsmoduls

10.1.2 Vergrößerung der Wanddicke

10.1.3 Sicken

10.2 Allgemeine Aspekte zur Rippenversteifung

10.2.1 Rippenhöhe

10.2.2 Rippenlage

10.2.3 Rippenanzahl (Werkstoffaufwand)

10.2.4 Einspannung

10.3 Gestaltungsregeln für spritzgegossene Verrippungen

10.3.1 Rippendicke

10.3.2 Kühlzeit

10.3.3 Anspritzrichtung

10.3.4 Rippenkreuzungspunkte (Knoten)

10.4 Gestaltungsregeln für Rippen nach den GID-Verfahren

10.5 Gestaltungsregeln für blasgeformte Rippen und Sicken

10.5.1 Blasgeformte Sicken

10.5.2 Blasgeformte Rippen

10.6 Gestaltungsregeln für gepresste Rippen

10.6.1 Handwerkliche Verarbeitung (Handlaminierverfahren)

10.6.2 Pressverfahren

Literatur

11 Zahnräder

11.1 Berechnung der Zahn- und Flankentemperaturvon Stirnrädern

11.1.1 Blok’sche Blitztemperaturhypothese

11.1.2 Temperaturrechnung nach TAKANASHI

11.1.3 Temperaturrechnung nach HACHMANN und STRICKLE

11.1.4 Vergleich der Temperaturberechnungsverfahren

11.1.5 Optimierte Temperaturrechnung

11.1.5.1 Temperaturmessungen an Kunststoff/Stahl-Paarungen nach [11.12]

11.1.5.2 Temperaturmessungen an Kunststoff/Kunststoff-Paarungen nach [11.36]

11.1.5.4 Optimierte Zahlenwertgleichung

11.2 Berechnung der Tragfähigkeit

11.2.1 Zahnschäden

11.2.2 Allgemeine Kenngrößen

11.2.3 Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit

11.2.4 Berechnung der Zahnflankentragfähigkeit

11.2.5 Berechnung der Zahnverformung

11.3 Gestaltung

11.3.1 Spritzgießen

11.3.2 Spanende Herstellung

11.3.3 Wellen-/Naben-Verbindung

11.3.3.1 Reibschlussverbindung

11.3.3.2 Formschlussverbindung

11.3.3.3 Vorgespannter Formschluss

Literatur

12 Gleitlager

12.1 Gleitlagerschäden

12.2 Berechnung der Belastbarkeit

12.2.1 Berechnung der mittleren Lagertemperatur

12.2.2 Berechnung der Gleitflächentemperatur

12.2.3 Statische Belastbarkeit

12.2.3.1 Beanspruchung des Lagerwerkstoffs

12.2.3.2 Deformation der Lagerschale

12.2.4 Dynamische Belastbarkeit

12.2.4.1 Dauerbetrieb

12.2.4.2 Aussetzbetrieb

12.2.4.3 Verschleiß

12.3 Gestaltung

12.3.1 Lagerspiel

12.3.2 Wanddicke

12.3.3 Herstellung

12.3.4 Gestaltungsbeispiele

Literatur

13 Laufrollen und Laufräder

13.1 Rollenschäden

13.2 Berechnung der Tragfähigkeit

13.2.1 Pressungskennwert als näherungsweise Bemessungsgrenze

13.2.2 Deformation unter statischer Last

13.2.3 Dynamisch beanspruchte Laufrollen

13.2.3.1 Frei laufende Rollen (ohne Antrieb)

13.2.3.2 Angetriebene Rollen

Literatur

14 Anleitungen zur Bedienungder Rechenprogramme

14.1 Anleitung zur Berechnung von Biegeelementenmit dem Programm BEAMS

14.1.1 Berechnung der Verformung unter kurzzeitiger Lasteinwirkung

14.1.2 Berechnung der Verformung unter langzeitiger Lasteinwirkung

14.1.3 Berechnung der Relaxation unter langzeitiger Lasteinwirkung

14.2 Anleitung zur Berechnung von Schnappverbindungenmit dem Programm SNAPS

14.3 Anleitung zur Berechnung von Schraubverbindungenmit dem Programm SCREWS

Anhang

Index

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