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Verbundwerkstoff

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Ein Verbundwerkstoff oder auch Kompositwerkstoff ist ein Konstruktionswerkstoff, der aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien besteht, z.B. Fasern, Kunststoff, Metall, Keramik, Holz...

Inhaltsverzeichnis

Faserverbundwerkstoff

Ein Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) (auch: faserverstärkter Kunststoff) ist ein Werkstoff, bestehend aus Verstärkungsfasern und einer polymeren Kunststoffmatrix. Die Matrix umgiebt die Fasern, die durch Adhasivkräfte an die Matrix angebunden sind. Durch die Verwendung von Faserwerkstoffen, haben Faser-Kunststoff-Verbunde ein richtungsabhängiges Elastizitätsgesetz.

Ohne Matrixwerkstoff sind die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten der Verstärkungsfaser nicht nutzbar. Erst durch die geeignete Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Konstruktionswerkstoff.

Faser-Kunststoff-Verbunde weisen in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf. Dies macht sie zu geeignete Werkstoffen in Leichtbauanwendungen. Aus Faser-Kunststoff-Verbunden werden überwiegend flächige Strukturen hergestellt.

Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden können über eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden. Neben der Faser-Matrix-Kombination können z.B. der Faserwinkel, der Faservolumenanteil, die Schichtreihenfolge usw. variiert werden.

Funktionsprinzip

Ein Faserkunststoffverbund kann als Konstruktion aufgefasst werden. Seine Elemente müssen so kombiniert werden, daß sich die gewünschten Eigenschaften einstellen. Durch das Zusammenspiel der spezifischen Eigenschaften von Faserwerkstoff und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Werkstoff.

Aufgabenteilung

Die Fasern leiten die Kräfte. Durch ihre, im Vergleich zur Matrix, hohen Steifigkeit ziehen sie die Lasten auf sich. Da die Faser eine höhere Festigkeit als die Matrix hat, sollten die Lasten entlang der Fasern geleitet werden. Quer zur Faser haben Matrix und Faser oft ähnliche Elastizitätsmoduln. Zusätzlich müssen die Kräfte durch Adhasivkräfte über die Faser-Matrix-Grenzfläche geleitet werden. Daher findet quer zur Faser in der Regel keine Verstärkungswirkung statt. Grund hierfür ist auch die Dehnungsvergrößerung.

Die Matrix bettet die Fasern. Betten meint dabei, daß sie die Fasern räumlich fixiert und die Lasteinleitung und Lastausleitung ermöglicht. Zusätzlich stützt die Matrix die Fasern, z.B. gegen Ausknicken bei faserparallelem Druck. Die Lastübertragung erfolgt über die Adhäsion zwischen Faser und Matrix. Sie kann über Normal- oder Schubkräfte erfolgen. Verbunde, bei denen keine Faser-Matrix-Haftung besteht, sind nur in Sonderfällen belastbar. Die Matrix hat zudem die Aufgabe, die Fasern gegen Umgebungseinflüsse zu schützen.

Wirksamkeitskriterien

Größeneffekt bei der Faserform. Vergleich der maximalen Fehlergröße und der fehlerfreien Länge. a: Kompakter Werkstoff b: Faserwerkstoff

Nicht jede Faser-Matrix-Kombination ergibt einen sinnvollen Konstruktionswerkstoff. Drei Kriterien müssen erfüllt sein, damit sich Steifigkeit und Festigkeit in Faserrichtung im Verbund erhöhen. Der Elastizitätsmodul in Faserlängsrichtung muss höher sein als der der Faser. EFaser,laengs > EMatrix Die Bruchdehnung der Matrix muss höher sein als die der Faser. εMatrix,Bruch > εFaser,Bruch Die Zugfestigkeit in der Faser in Faserlängsrichtung muss größer sein die der Matrix. RFaser,laengs > RMatrix

Wirksamkeit der Faserform

Symbolhafte Darstellung der Orientierung der Molekülketten durch Verstreckung in Faserwerkstoffen.

Die Faser ist dem kompakten Werkstoff überlegen. Dies betrifft sowohl die Festigkeit als auch die Elastizitätsmoduln. Die folgenden Effekte machen die Faser der kompakten Form überlegen:

Größeneffekt: In einer Faser ist die maximale Größe einer Fehlstelle begrenzt. Es treten also keine großen Fehler auf. Durch die statistische Verteilung der Fehler wächst die fehlerfreie Länge einer Faser stark an. Diese Effekte erhöhen nur Festigkeit der Faser, nicht deren Steifigkeit.

Orientierung: Bei der Herstellung von Fasern orientieren sich die Kristall- oder Molekülebenen. Geeignete Verfahren sind Spinnen und Verstrecken. Bildlich gesprochen wird aus einem nachgiebigen Wollknäuel ein Strang steifer Wollfäden. Bei Naturfasern wie Haaren, Wolle, Hanf, Sisal usw. entsteht die Orientierung während des Wachstums. Werkstoffe mit langkettigen Molekülen eigenen sich besonders, um eine hohe Orientierung zu erzeugen. Einige Fasern, wie die Glasfaser weisen keine Orientierung auf. In der Regel geht mit der wachsenden Orientierung eine Anisotropie der Faser einher. Die Orientierung erhöht hauptsächlich die Steifigkeit.

Mechanische Betrachtungsebenen

Faserkunststoffverbunde werden auf unterschiedlichen mechanischen Ebenen betrachtet. Die Betrachtungsebene hängt davon ab, ob globale Größen des Verbunds oder die der einzelnen Verstärkungsfaser von Interesse sind.

Mikromechanik

Die Mikromechanik betrachtet die einzelne, in der Matrix gebette Faser. Es liegt ein zweiphasiges Gemisch vor. Mit Hilfe der Mikromechanik können die Spannungen und Dehnungen in Faser und Matrix berechnet werden. Die Mikromechanik ermöglicht die Berechnung der Elastizitätseigenschaften der Faserkunststoffverbunds aus den Eigenschaften von Faser und Matrix (siehe: klassische Laminattheorie).

Makromechanik

Die Makromechanik wird zur Beschreibung des Verhaltens von Bauteilen verwendet. In der Makromechanik der Faserkunststoffverbunde wird der Verbund als homogen angesehen. Das heißt seine Eigenschaften sind vom Ort unabhängig. Seine Eigenschaften sind jedoch weiterhin richtungsabhängig. Mit Hilfe der Makromechnaik erhält man globale Spannungs- und Dehnungsgrößen. Sie können als mittlere Größen über der Faser und Matrix aufgefasst werden.

Anorganische Verstärkungsfasern

Anorganische Fasern haben eine amorphe Struktur. Ihre Vorteile sind die hohe Temperaturfestigkeit und der meist niedrige Preis. Gerade die Rohstoffe für die Glas- und Basaltfaser sind fast uneingeschränkt verfügbar. Basaltfasern Glasfasern

Organische Verstärkungsfasern

Organische Fasern haben einen hohen Orientierungsgrad. Ihr Modul längs und quer zur Faser unterscheidet sich deutlich. Durch hohe Temperaturen zersetzen sich organische Fasern bzw. schmelzen. Diese Temperaturgrenze kann jedoch sehr unterschiedlich sein. Aramidfasern Borfasern Kohlenstofffasern Nylon-Fasern PE-Fasern ...

Naturfasern

Nachwachsende Verstärkungsfasern haben, bezogen auf andere Verstärkungsfasern, überwiegend eine niedrige Dichte. Da ihre mechanischen Eigenschaften gering sind, werden sie nicht in Strukturbauteilen verwendet. Ihr Hauptanwendungsgebiet haben sie, in Kombination mit thermoplastischen Matrixwerkstoffen, in Verkleidungsbauteilen. Als Kurzschnitt werden sie als billiges Streckmittel eingesetzt. Flachs-Fasern Hanf-Faser Sisal-Fasern ...

weitere sind:

Metallische Verstärkungsfasern Stahl-Fasern

Bennenung von Verstärkungsfaserbündeln

In Anlehung an die Bezeichnung von Garnen werden Bündel aus Vertärkungsfasern, sogenannten Rovings, mit der Garnfeinheit tex benannt. Um so größer die Tex-Zahl ist, desto höher ist das Längengewicht der Fasern.

Besonders bei Kohlenstofffasern hat sich die Bezeichnung nach der Anzahl der Einzelfilamenten durchgesetzt. Ein 12k Roving besteht dementsprechend aus 12000 Einzelfilamenten. Über die Dichte der Faser lässt sich die Tex-Zahl in die Anzahl der Filamente überführen.


Einteilung nach der Faserlänge


Kurzfasern L=0,1 bis 1mm

Kurzfasern werden in der Spritzgusstechnik eingesetzt und können direkt mit einem Extruder verarbeitet werden. Es existieren thermoplastische Granulate die bereits mit einem bestimmten Faservolumenanteil bzw. Fasermassenanteil mit Kurzfasern versehen wurden.


Langfasern L=1 bis 50mm

Langfasern können ebenfalls noch in Extrudern verarbeitet werden. Sie finden im großen Umfang beim der Faserspritzen Anwendung. Langfasern werden häufig Duroplasten als Füllstoff zugemischt.

Endlosfasern L>50mm

Endlosfasern werden als Rovings oder Gewebe in faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Bauteile mit Endlosfasern erzielen die höchsten Steifigkeits- und Festigkeitswerte.


Faserhalbzeuge

Da die einzelnen Faserfilamente schwer zu handhaben sind, fasst man die trockenen Fasern zu Halbzeugen zusammen. Die Herstellverfahren entstammt in weiten Teilen der Textiltechnik wie z.B. das Weben, Flechten oder Sticken.

Gewebe

Gewebe entstehen durch das Verweben von Endlosfasern, z.B. von Rovings. Das Verweben von Fasern geht zwangsläufig mit einer Ondulation der Fasern einher. Die Ondulation bewirkt insbesondere eine Absenkung der faserparallelen Druckfestigkeit. Daher werden für mechanisch hochwertige Faser-Kunststoff-Verbunde Gelege verwendet.

Gelege

In einem Gelege liegen die Fasern ideal parallel und gestreckt. Es finden außschließlich Endlosfasern Verwendung. Gelege werden durch eine Papier- oder Fadenheftung zusammen gehalten.

Multiaxialgelege

Werden die Fasern nicht ausschließlich in der Ebenhe orientiert, so spricht man von Multiaxialgelegen. Meist werden die zusätzlichen Fasern senkrecht zur Laminatebene orientiert, um das Delaminations- und Impactverhalten zu verbessern.

Gesticke

Möchte man einzelne Rovings in der Ebene nicht nur gestreckt aufbringen, sondern auf beliebeigen Bahnen, so verwendet man Gesticke. Die Rovings werden dabei auf ein Trägermaterial (z.B. ein Vlies) gestickt und so fixiert. Gesticke werden häufig im Bereich von Lasteinleitungen verwendet, da hier oft eine komplexe Faserorientierung gewünscht ist. Gesticke werden als Vorformlinge für das RTM-Verfahren verwendet.

Geflechte

Im Flechtverfahren werden aus Rovings hauptsächlich Schläuche geflochten, die der Herstellung von Rohren, Behältern oder allgemein hohlen Bauteilen dienen.

Matten

Sollen Bauteile mit quasiisotropen Eingenschaften Hergestellt werden bieten sich Fasermatten an. Die Matten bestehen meist aus Kurz- und Langfasern, die locker über ein Bindemittel miteinander verbunden werden. Durch den Einsatz von Kurz- und Langfasern sind die mechanischen Eingenschaften von Bauteilen aus Matten denen von Geweben unterlegen.

Vliese

Vliese werden durch das Vernadeln von Langfasern hergestellt. Sie dienen, als dünne Schicht aufgebracht, dem Oberflächenschutz oder der Verbesserung der Oberflächenwelligkeit. Die mechanischen Eigenschaften sind quasiisotrop und denen von Geweben unterlegen.

Feinschnitt

Feinschnitte finden hauptsächlich als Füllstoff Verwendung. Sie können die mechanischen Eigenschaften von Reinharzbereichen erhöhen und gegebenfalls die Dichte herabsenken.

Abstandsgewebe

Abstandsgewebe dienen zur Herstellung von Sandwichstrukturen.

Faserschlichten

Bei der Verarbeitung von Fasern, z.B. dem Weben, wird auf die Fasern ein Schutzüberzug, die Schlichte aufgetragen. Dies ist besonders bei kerbempflindlichen Fasern wie der Glasfaser notwendig. Eine solche Schlichte nennt man Webschlichte. Sie wird in der Regel nach dem Weben wieder entfernt.

Die Schlichte kann auch als Haftvermittler zwischen Faser und Matrix dienen. Dazu muss jedoch die Schlichte auf das entsprechende Matrixsystem abgestimmt sein. Fasern mit einer Expoidschlichte (Silanschlichte) sind nur eingeschränkt in Thermoplasten einsetzbar. Eine haftvermittelnder Auftrag kann die Faser-Matrix-Haftung erheblich steigern.

Umwelteinflüsse

Die Beurteilung von Umwelteinflüssen auf Faser-Kunststoff-Verbunde erfolgt differenziert. Da der Werkstoff auf mikromechanischer Ebene nicht homogen ist, wirken sich die Umwelteinflüsse unterschiedlich auf den Faser- und Matrixwerkstoff aus. Neben der Auswirkung auf die Einzelkomponeneten müssen immer auch die resultierenden Folgen für den Verbund berücksichtigt werden. [Bearbeiten]

Einfluss von Feuchte

Der Einfluss von Feuchte betrifft in erster Linie den Matrixwerkstoff, da die Überzahl der Faserwerkstoffe kein Feuchte aufnimmt. Eine Außnahme machen Aramid- und Naturfasern. Die polymeren Matrixwerkstoffe nehmen Feuchte auf, dies betrifft sowohl die Thermo- als auch die Duroplaste. Die Feuchteaufnahme erfolgt durch Diffusion und ist damit in einem hohen Maß von der Zeit und dem Konzentrationsgefälle abhängig. Dies macht eine rechnerische Erfassung schwierig. Die folgende Phänomene treten bei Feuchteaufnahme auf: Gewichtszuwachs Sinken der Glasübergangstemperatur Sinken des Elastizitätsmoduls des Matrixwerkstoffs Entstehen von Quelleigenspannungen Sinken der Faser-Matrix-Haftung Sinken der Festigkeit des Matrixwerkstoffs Steigen der Werkstoffdämpfung Steigen der Bruchdehnung des Matrixwerkstoffs Osmoseschäden (bei entsprechenden Konzentrationgefällen im Laminat)

Gewichtszuwachs

Besonders bei Flugzeugen ist der Gewichtszuwachs der Struktur durch Feuchte nicht zu vernachlässigen. Um so mehr Faser-Kunststoff-Verbunde in einem Flugzeug verbaut werden, desto mehr Wasser nimmt es auf. Die meisten Faser-Kunststoff-Verbunde sind nach ihrer Fertigung ideal trocken. Erst nach einer Konditionierung bzw. Lagerzeit in feuchter Atmosphäre erreichen sie, durch die Feuchtigkeitsaufnahme, ihr endgültiges Gewicht.

Glasübergangstemperatur

Die Glasübergangstemperatur sinkt erheblich mit ansteigendem Feuchtegehalt des Verbunds. Dies kann dazu führen, daß die Glasübergangstemperatur eines Faser-Kunststoff-Verbunds unter die Betriebstemperatur sinkt. Dadurch erweicht die Matrix und das Bauteil versagt. Dieser Effekt ist besonders bei einem heiß-feuchten (hot-wet) Klima relevant. Bei der Wahl der Temperatureinsatzgrenzen des Faser-Kunststoff-Verbunds muss daher immer die zu erwartende Feuchte berücksichtigt werden. Eine konservative Absicherung kann durch den Kochtest (boiltest) erfolgen. Bei diesem Test wird das Bauteil merere Stunden in kochendem Wasser gelagert und anschließend im heiß-feuchtem Zustand getestet.

Matrixsysteme

Grundsätzlich unterscheidet man faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer (Thermoplast) und duroplastischer (Duroplast) Matrix.

Thermoplastische Matrix

Als Matrix sind grundsätzlich alle gängigen Thermoplasten verwendbar. Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix lassen sich nachträglich umformen oder verschweißen. Nach dem Abkühlen der Matrix sind faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix einsatzbereit. Sie erweichen jedoch bei erhöhter Temperatur. Mit zunehmendem Fasergehalt sinkt ihre Kriechneigung. Als thermoplastische Werkstoffe bei hohen Temperaturen eignen sich z.B.: Polyetheretherketon (PEEK) Polyphenylensulfid (PPS) Polysulfon (PSU) ...

Duroplastische Matrix

Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen jedoch einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Die Temperatureinsatzgrenze wird durch die Lage der Glasübergangstemperatur bestimmt. Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf.

Als Matrix kommen die folgenden Harze zur Anwendung: Epoxidharz (EP) ungesättigtes Polyesterharz (UP) Vinylesterharz (VE) Phenol-Formaldehydharz (PF) Diallylphthalatharz (DAP) Methacrylatharz (MMA) Polyurethan (PUR) Aminoharz ...


Elastomere Matrix

Als typische Vertreter von Elastomeren als Matrix in faservertärkten Kunststoffen sind Gummi und Polyurethan (PU) zu nennen. Elastomere kommen, aufgrund ihrer geringen Steifigkeit, nicht in Strukturbauteilen zu Einsatz. Eine Ausnahme bilden schlaufenförmige Bauteile wie Keil- oder Zahnriemen.

Wahl eines Matrixsystems

Die Wahl des Matrixsystems entscheidet über die Einsatzgrenzen des faserverstärkten Kunststoffs. Neben den mechanischen Eigenschaften der Matrix z.B. des Elastizitätsmoduls gibt es eine Reihe von weiteren Kriterien: Temperatureinsatzbereich (Schmelzpunkt, Glasübergangstemperatur) Medienbestädigkeit (sauer, basisch) Strahlungsbeständigkeit (UV-Strahlung) Langzeitverhalten (Kriechen, Relaxation) Feuchteaufnahme Schlagzähigkeit

Vorimpregnierte Halbzeuge

Neben den reinen Faserhalbzeugen (Gewebe, Vliese usw.) existieren eine Reihe von vorimprägnierten Faser-Matrix-Halbzeugen. Diese Halbzeuge liegen meist in Platten-, Band- oder Strangform vor.

thermoplastische Halbzeuge

GMT bedeutet Glasmatten verstärkter Thermoplast. Bei der Herstellung werden Glasfasergewebe oder Glasvliese in Verbindung mit Thermoplasten (meist PP) zu Halbzeugen verarbeitet. Dies Halbzeuge können nach dem erwärmen durch Pressen weiterverarbeitet werden. Die Kombination mit anderen Vertärkungsfasern als der Glasfaser ist auch möglich.

LFT bedeutet Langlasfaser verstärktes Thermoplast. Bei dem G-LFT Verfahren werden lange Fasern in Granulatform (PP Matrix) aus einem offenen Extruder direkt in eine Pressform gebracht und umgeformt. Beim D-LFT Verfahren wird in einem Extruder die Matrix (meist PP) plastifiziert und in einem Mischer mit auf Länge gekürzten Endlosfasern vermengt. Das faserhaltige Plastifikat wird dann in Form gepresst.

duroplastische Halbzeuge

SMC (Sheet Moulding Compound) besteht aus Kurz- und Langfasern. Es liegt als Plattenware vor und wird im Heißpressverfahren verarbeitet. Zuschlagstoffe verhindern das Ankleben der Matrix an Werkzeugen und machen das Halbzeug so handhabbar. Als Matrix findet häufig ein ungesättigtes Polyesterharz (UP) Anwendung. Ist bei dem Bauteil eine hohe Schlagzähigkeit gefordert, werden auch Vinylesterharze (VE) verwendet. Andere Matrixsysteme existieren ebenfalls. Die Aushärtung des faserverstärkten Kunststoffs erfolgt durch erhöhte Temperatur und gegebenenfalls zusätzlichen Druck.

BMC (Bulk Moulding Compound) besteht aus Kurz- und Langfasern. Es liegt als teigige, formlose Masse vor. Die Zusammensetzung ähnelt der von SMC. Die Aushärtung erfolgt wie bei SMC.

Prepregs (Preimpregnated Fibers) bestehen aus Endlosfasern. Prepregs werden meist als bandförmige Ware aufgewickelt geliefert. Die Endlosfasern können als unidirektionale Bänder (UD-Bänder), Gewebebänder oder Multiaxialgelege im Prepreg vorliegen. Die Aushärtung erfolgt wie bei SMC und BMC.

Recycling

Die Art und Weise, wie ein Faser-Kunststoff-Verbund wiederverwendet werden kann, hängt von dessen Matrixsystem ab. Für alle Verbunde gilt jedoch, das eine vollständige stoffliche Wiederverwertung, wie z.B. bei Metallen, nicht möglich ist.

Eine Sonderstellung nehmen spezielle Matrixsysteme mit Naturfasern ein. Diese sind zum Teil vollständig biologoisch abbaubar. Solche Verbunde haben jedoch niedrige Festigkeiten und Steifigkeiten und kommen daher nur bei mechanisch gering belasteten Bauteilen zur Anwendung.

Duroplastische und elastomere Verbunde

Faser-Kunststoff-Verbunde mit solchen Matrixsystemen sind nur sehr eingeschränkt wiederverwertbar. Die chemische Extraktion der Fasern verbietet sich in den meisten Fällen aus Umwelt- und Kostengründen. Eine Möglichkeit besteht im Mahlen der Bauteile. Das so gewonnene Pulver kann als Streckmittel z.B. in SMC und BMC eingesetzt werden.

Thermoplastische Verbunde

Eine stoffliche Wiederverwertung von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden ist teilweise möglich. Dazu wird das Bauteil geschreddert und als kurzfaserverstärkter Kunststoff weiter verwendet. Durch die Nutzungszeit und das erneute Aufschmelzen degradieren jedoch die Eigenschaften des Kunststoffs. Solche Recyklat-Granulate werden daher nur noch bei untergeorneten Anwendungen eingesetzt. Desweiteren bleiben Lang- oder Endlosfasern nicht erhalten. Die mechanische Güte des Recyklats sinkt damit deutlich.


Verarbeitungsverfahren

Die Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden hängen in erster Linie von der Art der verwendeten Halbzeuge ab. Einige Verfahren sind sowohl mit impregnierten als auch mit trockenen Halbzeugen anwendbar.

Die Auswahl des Verfahrens richtet sich weiter nach der zu fertigenden Stückzahl sowie den geometrischen Abmessungen des Bauteils. Da viele Strukturen auch alternativ mit anderen Halbzeugen und Verfahren hergestellt werden können, spielen bei der Auswahl wirtschaftliche Kriterien eine wichtige Rolle.

Verfahren für vorimpregnierte Halbzeuge: Autoklavverfahren Faserspritzen Pressen Pultrusionsverfahren Spritzguss Wickelverfahren

Verfahren für trockene Halbzeuge: Handlaminieren Harzinjektionsverfahren Wickelverfahren

Auslegung und Berechnung

Die Auslegung und Berechnung vom Faser-Kunststoff-Verbunden ist in der VDI 2014 beschrieben. Ältere Richtlinien, wie z.B. die VDI 2013, wurden zurückgezogen und sind nicht mehr gültig.

Die elastischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen werden auf der Grundlage der Eigenschaften von elementaren Einzelschichten berechnet (unidirektionale Schichten). Dieses Berechnungsverfahren ist als klassische Laminattheorie bekannt. Gewebe werden dabei als zwei, in einem Winkel von 90° gedrehte, unidirektionale Schichten abgebildet. Einflüsse durch die Ondulation der Fasern im Gewebe werden duch Abminderungsfaktoren berücksichtigt. Eine Entwurfsmethode für gewichtsoptimale Laminate ist die Netztheorie.

Ergebnis der klassischen Laminattheorie sind die sogenannten Ingenieurskonstanten des Verbundwerkstoffs und die Scheiben-Platten-Steifigkeitsmatrix. Diese Matrix besteht aus folgenden Elementen: Scheibensteifigkeits-Matrix A Plattensteifigkeits-Matrix D Koppel-Matrix B

Anhand dieser Matrizen können die Reaktionen des Verbundwerkstoffs auf Scheibenbelastungen: Normalspannungen σ1,σ2 und Schub τ12 in der Ebene Plattenbelastungen: Biegemomente m1,m2 und Drillmoment m12 berechnet werden.

Die Koppel-Matrix koppelt dabei die Scheibenbelastungen mit den Plattenverformungen und umgekehrt. Für die Praxis von Interesse ist, daß eine besetzte Koppel-Matrix zu thermischen Verzug führt. Da auch thermische Dehnungen gekoppelt werden, verziehen sich Faserverbundbauteile, deren Koppelmatrix besetzt ist. Ziel vieler Forschungsvorhaben ist es, die Kopplungen in der Scheiben-Platten-Steifigkeitsmatrix gezielt konstruktiv zu nutzen.

Eine überschlägige Auslegung ist mit der Netztheorie möglich. Sie vernachlässig das Wirken der Matrix und geht damit vom ungünstigsten Fall aus. Die Netztheorie findet z.B. bei Bauteilen Anwendung, bei denen damit gerechnet werden muss, daß die Matrix erweicht oder schmilzt.

Festigkeitsnachweise

Der Festigkeitsnachweis erfolgt mit Hilfe von Bruchkriterien für Faserkunststoffverbunde. Diese können differenzierend sein, also die Brucharten unterscheiden, oder pauschal. Ein pauschaler Nachweis sagt nichts über die Versagensart aus. In der VDI 2014 wird ein differenzierendes Kriterium verwendet (Zwischenfaserbruchkriterium nach Puck).

Bei Bauteilen aus faservertärktem Kunststoff spielen beim Festigkeitsnachweis Versuche eine wichtige Rolle. Da die Haftungsbedingungen zwischen Faser und Matrix nicht bekannt sind, kann auf eine experimentelle Überprüfung selten verzichtet werden. Desweiteren können kombinierte Umwelteinflüsse wie Medienangriff und hohe Temperaturen quasi nur durch einen Versuch beurteilt werden.

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK - C für Carbon = Kohlenstoff) bezeichnet einen Faser-Kunststoff-Verbund Werkstoff bei dem in das Grundmaterial (Matrix) aus Kunststoff Kohlenstofffasern als Verstärkung eingebettet werden.

Die Matrix besteht meist aus Duromeren z.B. Epoxidharz.

Bei der Fertigung von CFK ist ein hoher Faseranteil erwünscht, wobei Verunreinigungen, z. B. durch Luftbläschen, minimiert werden sollen. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) der Faser muss höher sein, als der des Grundwerkstoffes. Die Haftung der Matrix auf der Faser muss gegeben sein, ansonsten versagen die Bauteile durch Faser-pull-out.

Die Zugfestigkeit und Steifigkeit eines aus CFK hergestellten Materials ist wie bei allen Faserverbunden in Faserrichtung sehr hoch, aber quer zur Faserrichtung niedrig.

CFK werden vielfältig eingesetzt, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau oder für Sportgeräte, wie Fahrradrahmen, Tennisschläger und Angeln. Zunehmend setzt sich CFK auch im Bauwesen durch. CFK wird in Form von Lamellen oberflächig oder in Schlitze auf die Bauteiloberfläche geklebt für die Bauwerksverstärkung eingesetzt.

Fertigungsverfahren

Die Fertigungsverfahren entsprechen denen von glasfaserverstärktem Kunststoff. Dabei werden vor allem Verfahren eingesetzt, mit denen sich hochwertige Faserverbunde herstellen lassen. (Prepreg, Faserwickeln) CFK-Handlaminate kommen dagegen fast ausschließlich im Kleinserienbau und in der Einzelfertigung zur Anwedung.

Glasfaserverstärkter Kunststoff

Glasfaserverstärkter Kunststoff, kurz GFK, ist ein Faser-Kunststoff-Verbund aus einem Kunststoff (z. B. Polyesterharz, Epoxidharz oder Polyamid) und Glasfasern.

GFK ist auch unter der Bezeichnung Fiberglas bekannt. Fiber kommt hier aus dem Englischen (fibre, amerikanisch: fiber) und bedeutet Faser. Er ist der am häufigsten eingesetzte langfaserverstärkte Kunststoff.

Klassifizierung von glasfaserverstärktem Kunststoff

Man klassifiziert glasfaserverstärkte Kunststoffe anhand der Länge der eingesetzten Verstärkungsfasern oder anhand des verwendeten Matrixsystems. Die Grenzen der Einteilung nach Faserlänge sind fließend. Sie orientieren sich hauptsächlich am Anwendungszweck. [Bearbeiten]

Einteilung nach der Faserlänge

Kurzfasern L=0,1 bis 1mm

Kurzfasern werden in der Spritzgusstechnik eingesetzt und können direkt mit einem Extruder verarbeitet werden. Es existieren thermoplastische Granulate die bereits mit einem bestimmten Faservolumenanteil bzw. Fasermassenanteil mit Kurzfasern versehen wurden.

Langfasern L=1 bis 50mm

Langfasern können ebenfalls noch in Extrudern verarbeitet werden. Sie finden im großen Umfang beim der Faserspritzen Anwendung. Langfasern werden häufig Duroplasten als Füllstoff zugemischt.

Endlosfasern L>50mm

Endlosfasern werden als Rovings oder Gewebe in glasfaserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Bauteile mit Endlosfasern erzielen die höchsten Steifigkeits- und Festigkeitswerte.

Einteilung nach dem Matrixsystem

Grundsätzlich unterscheidet man glasfaserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer (Thermoplast) und duroplastischer (Duroplast) Matrix. Für jeden Matrixtyp werden die Glasfasern mit einem speziellen Überzug versehen, der Schlichte. Die Schlichte hilft, die Haftung zwischen Matrix und Faser herzustellen. Fasern mit einer Expoidschlichte (Silanschlichte) sind z.B. nur eingeschränkt in Thermoplasten einsetzbar. [Bearbeiten]

Thermoplastische Matrix

Als Matrix sind grundsätzlich alle gängigen Thermoplasten verwendbar. Glasfaserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix lassen sich nachträglich umformen oder verschweißen. Nach dem Abkühlen der Matrix sind glasfaserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix einsatzbereit. Sie erweichen jedoch bei erhöhter Temperatur. Mit zunehmendem Glasgehalt sinkt ihre Kriechneigung. Als thermoplastische Werkstoffe bei hohen Temperaturen eignen sich z.B.: Polyetheretherketon (PEEK) Polyphenylensulfid (PPS) Polysulfon (PSU) ...

Duroplastische Matrix

Als Matrix kommen hauptsächlich die folgenden Harze zur Anwendung: Epoxidharz (EP) ungesättigtes Polyesterharz (UP) Vinylesterharz (VE) Phenol-Formaldehydharz (PF) Diallylphthalatharz (DAP) Methacrylatharz (MMA) Polyurethan (PUR) Aminoharz

Glasfaserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen jedoch einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Die Temperatureinsatzgrenze wird durch die Lage der Glasübergangstemperatur bestimmt. Glasfaserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf.

Elastomere Matrix

Als typische Vertreter von Elastomeren als Matrix in glasfaservertärkten Kunststoffen sind Gummi und Polyurethan (PU) zu nennen. Elastomere kommen, aufgrund ihrer geringen Steifigkeit, nicht in Strukturbauteilen zu Einsatz. Eine Ausnahme bilden schlaufenförmige Bauteile wie Keil- oder Zahnriemen.


Wahl eines Matrixsystems

Die Wahl des Matrixsystems entscheidet über die Einsatzgrenzen des glasfaserverstärkten Kunststoffs. Neben den mechanischen Eigenschaften der Matrix z.B. des Elastizitätsmoduls gibt es eine Reihe von weiteren Kriterien: Temperatureinsatzbereich (Schmelzpunkt, Glasübergangstemperatur) Medienbestädigkeit (sauer, basisch) Strahlungsbeständigkeit (UV-Strahlung) Langzeitverhalten (Kriechen, Relaxation) Feuchteaufnahme

Halbzeuge

Neben den reinen Faserhalbzeugen (Gewebe, Vliese usw.) existieren eine Reihe von vorimprägnierten Faser-Matrix-Halbzeugen. Diese Halbzeuge liegen meist in Platten-, Band- oder Strangform vor.

thermoplastische Halbzeuge

GMT bedeutet Glasmatten verstärkter Thermoplast. Bei der Herstellung werden Glasfasergewebe oder Glasvliese in Verbindung mit Thermoplasten (meist PP) zu Halbzeugen verarbeitet. Dies Halbzeuge können nach dem erwärmen durch Pressen weiterverarbeitet werden.

LFT bedeutet Langlasfaser verstärktes Thermoplast. Bei dem G-LFT Verfahren werden lange Fasern in Granulatform (PP Matrix) aus einem offenen Extruder direkt in eine Pressform gebracht und umgeformt. Beim D-LFT Verfahren wird in einem Extruder die Matrix (meist PP) plastifiziert und in einem Mischer mit auf Länge gekürzten Endlosfasern vermengt. Das glasfaserhaltige Plastifikat wird dann in Form gepresst.

duroplastische Halbzeuge

SMC (Sheet Moulding Compound) besteht aus Kurz- und Langfasern. Es liegt als Plattenware vor und wird im Heißpressverfahren verarbeitet. Zuschlagstoffe verhindern das Ankleben der Matrix an Werkzeugen und machen das Halbzeug so handhabbar. Als Matrix findet häufig ein ungesättigtes Polyesterharz (UP) Anwendung. Ist bei dem Bauteil eine hohe Schlagzähigkeit gefordert, werden auch Vinylesterharze (VE) verwendet. Andere Matrixsysteme existieren ebenfalls. Die Aushärtung des glasfaserverstärkten Kunststoffs erfolgt durch erhöhte Temperatur und gegebenenfalls zusätzlichen Druck.

BMC (Bulk Moulding Compound) besteht aus Kurz- und Langfasern. Es liegt als teigige, formlose Masse vor. Die Zusammensetzung ähnelt der von SMC. Die Aushärtung erfolgt wie bei SMC.

Prepregs (Preimpregnated Fibers) bestehen aus Endlosfasern. Prepregs werden meist als bandförmige Ware aufgewickelt geliefert. Die Endlosfasern können als unidirektionale Bänder (UD-Bänder), Gewebebänder oder Multiaxialgelege im Prepreg vorliegen. Die Aushärtung erfolgt wie bei SMC und BMC.

Typische Bauteile

kurz- und langfaserverstärkte Bauteile

Kurzfaserverstärkte Bauteile finden vor allem Verwendung als Verkleidungen, oder werden wegen der guten Formbarkeit und großen Gestaltungsfreiheit hergestellt. Kurzfaserverstärkte Bauteile weisen meist ein quasiisotropes Verhalten auf, da die Kurzfasern zufällig verteilt vorliegen. Eine schwach ausgeprägte Orthotropie kann beim Spritzguss von kurzfaserverstärkten Thermoplasten entstehen. Die Fasern orientieren sich dabei entlang der Fließlinien. Die Beimischung von Kurzglasfasern zu Thermoplasten verbessert deren Steifigkeit, Festigkeit und insbesondere deren Verhalten bei hohen Temperaturen. Das Kriechen kurzfaserverstärkter Thermoplaste ist geringer als die des Grundmaterials. Faserspritzen Wirrfaserverstärkung

Endlosfaserverstärkte Bauteile

Endlosfaserverstärkte Bauteile werden mit definierten Materialeigenschaften hergestellt. Immer häufiger finden sie Verwendung im Leichtbau. GFK aus Geweben oder Gelegen GFK aus Rovings oder unidirektionalen Geweben/Gelegen (hergestellt im Strangziehverfahren) Mischformen aus den oben genannten Arten

Einsatzbereich

Spoiler für Autos, Front-, Heckklappen, Kotflügel und Dachmodule für PKW, Cabrio-Hardtops, Ölwannen für Nutzfahrzeuge, Windabweiser für Nutzfahrzeug-Zugmaschinen (Dach- und Seitenspoiler), Nutzfahrzeug-Stoßfänger, -Einstiege, -Kotflügel, -Seitenverkleidungen, -Frontklappen, etc., Zugverkleidungen, Kühlwaggons, Rotorblätter für Hubschrauber und Windenergieanlagen, Sportboote, Caravans, Segelflugzeuge, Zeltgestänge bis hin zu Fußgängerbrücken, Leuchttürme oder Rohrleitungssystemen und Behältern im Kraftwerksbau und der chemischen Industrie sowie Werbe- bzw Dekorationsfiguren


Ceramic Matrix Composites (CMC)

Eine Werkstoffklasse, die besonders für Anwendungen unter hoher thermischer Belastung prädestiniert ist, stellen die Faserverbundwerkstoffe mit keramischer Matrix (CMC, ceramic matrix composites) dar. Kohlenstofffaserverstärktes Siliciumcarbid (C/SiC) ist ein Vertreter dieser Klasse, der mit am weitesten entwickelt ist. Es existieren verschiedene Herstellungsverfahren, die sich sowohl hinsichtlich der Prozesskosten als auch im resultierenden Eigenschaftsprofil des Werkstoffs deutlich unterscheiden. Unter Kostenaspekten ist das sogenannte Flüssigsilicierverfahren von besonderem Interesse, bei dem schmelzflüssiges Silicium ein poröses Substrat aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (C/C) infiltriert und vorzugsweise mit dem Kohlenstoff der Matrix direkt zu SiC reagiert. Eine entscheidende Schwäche dieses Verfahrens sind unerwünschte, weil schädigende, Reaktionen der Siliciumschmelze mit den Kohlenstofffasern, was bei hohen angestrebten SiC-Gehalten zu sprödem Versagensverhalten und niedrigen Festigkeiten führt. Um diesen Nachteil zu beheben, ist im Institut das Verfahren dahingehend modifiziert worden, den Reaktionspartner Silicium nicht durch einen Infiltrationsschritt von außen zuzuführen, sondern von Anfang an im Inneren des Materials zu platzieren (Innere Silicierung). Durch eine homogene Verteilung von Si-Füllerpartikel in der Kohlenstoffmatrix lässt sich die Reaktion, die sonst unkontrolliert mit dem gesamten verfügbaren Kohlenstoff stattfindet, lokal begrenzen. Neben dem Erhalt der Faserintegrität sind als zusätzliche Vorteile zu werten, dass nach Abschluss der Reaktionen kein überschüssiges freies Silicium mehr vorliegt und durch den Wegfall des Infiltrationsvorgangs keine prinzipielle Beschränkung von Bauteilwandstärken existiert. Das Verfahren führt zudem zu einer gleichförmigen Zusammensetzung der Matrix ohne Gradienten über den gesamten Querschnitt. Ein integraler Bestandteil des modifizierten Prozesses ist eine sehr feinskalige offene Porosität der Composites von mehr als 30%. Einerseits gewährleistet dies ein schadenstolerantes Versagensverhalten und den Ausschluss von Sprödbruch, andererseits ist dadurch allerdings die Lastübertragung auf andere Fasern und damit die erreichbare Biegefestigkeit limitiert. Aktuelle Entwicklungsarbeiten im Institut zielen daher speziell auf die Verbesserung dieses Aspektes.


Biologisch abbaubare Verbundwerkstoffe

Wachsendes Umweltbewusstsein und schwindender Deponieraum führen zur Suche nach neuen Wiederverwertungs- und Entsorgungsmöglichkeiten von Kunststoffen. Kompostierbare, biologisch abbaubare Polymere stellen eine interessante Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen dar. Basieren diese auf nachwachsenden Rohstoffen, so bieten sie der Landwirtschaft eine Möglichkeit der Landumnutzung, womit der herrschenden Nahrungsmittelüberproduktion unter Beibehaltung der landwirtschaftlichen Nutzfläche entgegengewirkt werden kann.

Abbaubare Polymere weisen jedoch oft nur geringe mechanische Eigenschaften auf. Diese können durch eine Verstärkung mit Bastfasern wie Flachs und Hanf verbessert werden. Am vielversprechendsten sind degummierte, fein aufgeschlossene Bastfasern, die spezifische Festigkeiten im Bereich von technischen Glasfasern erreichen. Die technische Entwicklung auf dem Gebiet pflanzenfaserverstärkter biologisch abbaubarer Werkstoffe läuft auf drei Schienen:

1.Verbesserung der Fasereigenschaften durch Züchtung, Optimierung des Anbaus und der Aufschlussmethoden. 2.Erweiterung der Palette biologisch abbaubarer Polymere durch massgeschneiderte Werkstoffe. 3.Optimierung von Verarbeitungsverfahren.

Problemstellung:

Umwelt

Der Deponieraum für nicht verwertbare Abfallstoffe wird immer knapper. Weltweit fallen 25 Mio. t Kunststoffabfälle pro Jahr an, bei deren energetischen Verwertung grosse Mengen CO2 freigesetzt werden [19]. Die Schonung fossiler Rohstoffe und somit die Verminderung des CO2-Ausstosses stellt eine notwendige Massnahme für den Klimaschutz dar. Die Kompostierung biologisch abbaubarer Werkstoffe bietet eine interessante ökologische Alternative in der Entsorgungsproblematik. Bestehen solche Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, ist für eine weitgehende CO2-Neutralität gesorgt.

Landwirtschaft

In der Schweiz wird zirka eine Mio. Hektaren landwirtschaftliche Nutzfläche bewirtschaftet. Es besteht eine Überproduktion an Futter- und Nahrungsmitteln. Daher sollten in den nächsten Jahren für eine Fläche von über 100 000 ha alternative Landnutzungen gefunden werden. Dazu werden Extensivierung, ökologischer Ausgleich, Stillegung und die Produktion nachwachsender Rohstoffe für die Industrie in Betracht gezogen (Masterplan 1994). Entwicklung biologisch abbaubarer Werkstoffe

Die Kunststoffindustrie stellt schon heute eine Vielzahl biologisch abbaubarer Polymere grosstechnisch her, wovon einige auf nachwachsenden Rohstoffen basieren. Deren noch verbesserbare Eigenschaften genügen bereits für viele Anwendungen [8]. Die Weiterentwicklung biologisch abbaubarer Werkstoffe kann diesen das Feld technischer Konstruktionswerkstoffe öffnen. Verstärkt man diese Polymere mit Pflanzenfasern, so lassen sich Verbundwerkstoffe herstellen, deren Eigenschaften einen Einsatz in technisch anspruchsvollen Bereichen (zum Beispiel Fahrzeuge, Sportgeräte) zulassen.

Ausblick

Fasern

Die mechanische Decortisierungstechnologie für Bastpflanzen ist im industriellen Massstab realisiert. Entsprechende Fasern für die Produktion einfacher Formpressteile und Dämmstoffe sind bereits auf dem Markt erhältlich. Anders verhält es sich mit den Degummierverfahren zur Produktion von feinsten Fasern. Hier sind erst Labor- oder Technikumsanlagen vorhanden. Für die Weiterentwicklung technischer Pflanzenfasern stellen folgende Aspekte Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklung dar:

Wie wirken sich die Anbaubedingungen auf die Faserqualität aus? Entwicklung von Methoden der Faserqualitätsbestimmung. Wo liegen die technischen, ökologischen und ökonomischen Vor- und Nachteile der verschiedenen Aufschlussverfahren? Optimierung der Aufschlussverfahren.

Polymere

Die Normung und Zertifizierung biologisch abbaubarer Polymere ist weit vorangeschritten. Für eine breite Markteinführung braucht es folgende Schritte [8]:

Die Konzepte für eine möglichst flächendeckende Entsorgung insbesondere von Verpackungswerkstoffen müssen umgesetzt werden. Die Palette der vorhandenen biologisch abbaubaren Polymere ist durch massgeschneiderte Werkstoffe mit besseren Eigenschaften (zum Beispiel niedrigere Gasdurchlässigkeit für Verpackungszwecke) zu erweitern. Eine grössere Nachfrage ermöglicht eine rationellere Produktion. Zusammen mit der Weiterentwicklung der Herstellverfahren wird eine Preissenkung möglich, sodass biologisch abbaubare Polymere mit konventionellen Thermoplasten konkurrieren können.

Verbundwerkstoffe

Biologisch abbaubare Verbundwerkstoffe für einen höheren technischen Anwendungsbereich stehen noch nicht vor der unmittelbaren Markteinführung. Hier sind noch einige Schritte nötig, welche von den Entwicklungen im Bereich der biologisch abbaubaren Matrices und Fasern abhängen:

Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung Anpassung bestehender Verarbeitungsverfahren auf Pflanzenfasern Entwicklung neuer Verarbeitungsverfahren.

Nur mit einer engen Zusammenarbeit zwischen Landwirtschaft, Industrie und Forschungsanstalten lassen sich Erfolge beim Beantworten der zahlreichen offenen Fragen erzielen.

Mehrschichtverbundrohr

Mehrschichtverbundrohre sind Rohre, die aus Schichten verschiedener Materialien bestehen. Der Aufbau dieser 3-schichtigen Verbundrohre ist folgender: innen meist vernetztes Polyurethan in der Mitte ca. 0,4 mm Aluminium, aussen wieder meist Polyurethan hoher Dichte. Bei der Herstellung sind es fünf Schichten, weil zwischen Aluminium und Polyurethan noch jeweils eine Haftschicht gehört. Die Hersteller beschreiben das so (PE-X/Alu/PE-X) oder (PE-RT/Alu/PE-MD)

Es gibt Rohre mit Aussendurchmesser 14, 16, 20, 26 bis zu 110mm, die Wandstärke erreicht (dimensionsabhängig) von 2 bis 10 mm. Diese Rohre sind im Gegensatz zu reinen Kunststoffrohren sehr leicht zu biegen. Durch die Aluminium-Zwischenschicht sind die Rohre für Sauerstoff fast undurchlässig; somit keine Korrosion in Heizkörpern oder anderen empfindlichen Stellen eines Rohrleitungssystems z.B. Pumpen,.... . Diese Rohre sind formstabil, haben geringes Gewicht, sind einfach zu verlegen und eignen sich für fast alle Arten von Installationen: Heizung, Sanitär,Thermoaktive Bauteilaktiverung, Fussboden-, Wandheizung, Druckluftversorgung, industrieller Rohrleitungsbau. Je nach Hersteller werden Press- und/oder Schraubverbindungen verwendet. Für erstere braucht man spezielle Zangen, um den hohen Pressdruck zu erzeugen. Die Schraubverbindungen hingegen lassen sich meist wieder lösen.

Je nach Dimension werden 50-600 m Rollen - bei 16er Rohr 200m oder längere Rollen - angeboten.Meist ist auch Stangenware erhältlich (Herstellerabhängig).Hersteller sind z.B. Comap, JANOlen, Pex, Uponor, Vasir, Wavin.....

Bislang gibt es keine Erfahrungswerte, wieviele Jahre solche Systeme dicht sind (Eingesetzt werden Sie seit ca. 1990). Hingegen sind die Schnelligkeit der Verarbeitung sowie die Fexibilität der Verlegung nicht zu überbieten.


Hartmetall

Unter Hartmetallen versteht man gesinterte Karbidhartmetalle (gegossenes Hartmetall bezeichnet man als Stellit [veraltet]). Kennzeichnend für die Hartmetalle sind sehr hohe Härte, Verschleißfestigkeit und besonders die hohe Warmhärte. Sie finden daher eine ausgedehnte Anwendung in der Bestückung von Werkzeugen und Teilen für die Zerspanung, spanlose Formgebung und bei reibendem Verschleiß.

Das Sintern beruht darauf, dass man hochschmelzende Hartstoffe im fein zerkleinerten Zustand mit oder ohne einem leichter schmelzendem Zusatzkörper mischt und auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des schwer schmelzbaren Anteils (Carbide) erhitzt, wobei die Temperatur und Zeitdauer der Erhitzung so gewählt werden, dass die Karbide zusammenbacken.

Hartmetall besteht meistens aus 90-94% Wolframcarbid (Matrix) und 6-10% Cobalt (Bindemittel, Zähigkeitskomponente). Die Wolframcarbidkörner sind durchschnittlich ca. 0.5-1 Mikrometer groß. Das Cobalt befindet sich als feines Pulver dazwischen. Herstellung: Die Formgebung erfolgt durch Pulverkompaktierung (Pressen) oder die Verarbeitung formbarer Massen (z.B. Strangpressen). Danach wird je nach Hersteller im Vakuum und/oder bei bis zu 1000-2000 Bar und bis zu 1600 °C gesintert. Das Verfahren liefert hochfeste und dichte Werkstoffe.

Es gibt neben den konventionellen Hartmetallen auf Wolframcarbid-Basis auch Hartmetalle, die nur Titancarbid und Titannitrid als Hartstoffe beinhalten. Die Bindephase besteht dabei aus Nickel, Kobalt und Molybdän. Diese als Cermets (ceramic + metal) bezeichneten Hartmetalle zeichnen sich durch eine weiter erhöhte Warmfestigkeit und Härte und durch sehr geringe Diffusions- und Adhäsionsneigung aus. So sind noch höhere Schnittgeschwindigkeiten zum Schlichten von Metall möglich. Aus diesem Grund werden die Cermet-Schneidstoffe vorwiegend zum HSC High Speed Cutting Verfahren eingesetzt.

Je nach Zerspanungsanwendung werden Hartmetalle in verschiedene Gruppen (P,M,K) unterteilt; die P-Hartmetalle haben einen verhältnismäßig großen Anteil an Titan- und Tantalcarbid(TiC bzw. TaC), und werden zur Bearbeitung von Stählen verwendet. Die fast TiC- und TaC-freien Hartmetalle der K-Gruppe werden bevorzugt für die Bearbeitung von Eisenguß, NE-Metallen (Nicht-Eisen-Metalle) und für Kunststoff verwendet. Die Hartmetalle der M-Gruppe können als Übergang zwischen P- und K-Hartmetallen angesehen werden.

Hartmetalle sind nicht so zäh wie Schnellarbeitsstähle (HSS – Hochleistungs-Schnellarbeitsstahl), ertragen aber viel höhere Schnitttemperaturen (Temperaturbeständigkeit 1100-1200°C) und damit noch höhere Schnittgeschwindigkeiten (~40-350 m/min) als Schnellarbeitsstähle. Sie sind im Gegensatz zu Schnellarbeitsstahl nur durch Schleifen bearbeitbar.Sie haben hohe Druckfestigkeit (4000-5900 N/mm²), mittlere Biegefestigkeit (800-2200 N/mm²), hohe Dichte (6.0-15.0 kg/dm³) und haben E-Moduli von 430000-630000 N/mm². Durch ihre hohe Härte (Vickershärte HV30: 13000-17000) sind Hartmetalle spröde, d. h. empfindlich gegen Schlag/Stoß sowie gegen plötzliche Temperaturwechsel (sog. Thermoschock-Empfindlichkeit).

Zur Optimierung verringert man die Korngrößen. Dies führt zu höherer Zähigkeit, höherer Härte, höherer Bruchdehnung. Faustformel: 1/4 ursprüngl. Korngröße ergibt doppelt so hohe Bruchdehnungen. Leider sind dieser Möglichkeit von der Strukturmechanik her bei ca. 50 nm Grenzen gesetzt.

Umgangssprachlich häufig auch nur mit dem Handelsnamen der Firma Krupp als Widia (= Wie Diamant) bezeichnet.

Beton

Beton ist ein künstliches Gestein aus Zement, Betonzuschlag (Sand und Kies oder Splitt) und Wasser. Er kann außerdem Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel enthalten.

Der Zement dient als Bindemittel, um die anderen Bestandteile zusammenzuhalten. Die Festigkeit des Betons entsteht durch Auskristallisierung der Klinkerbestandteile des Zements, wodurch sich kleinste Kristallnadeln bilden, die sich fest ineinander verzahnen. Das Kristallwachstum hält über Monate an, sodass die endgültige Festigkeit erst lange nach dem Betonguss erreicht wird. Es wird aber, wie in der DIN 1164 (Festigkeitsklassen von Zement), angenommen, dass bei normalen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen nach 28 Tagen die Normfestigkeit erreicht ist.

Beton kann zwar hohen Druck aushalten (40 MN/m² und mehr; entspricht ca. 250 Kleinwagen auf einem DIN A4-Blatt!), versagt aber schon bei niedrigen Zugbeanspruchungen (4 MN/m² und weniger). Trotzdem würde ein Betonstab, auf Zug nur durch sein Eigengewicht belastet, erst bei ungefähr 160 m Länge reissen. Beton wird daher im Hochbau und im Tiefbau häufig in Zusammenhang mit Betonstahl als Stahlbeton bzw. mit Spannstahl als Spannbeton verwendet. Bei diesem Verbundbaustoff übernimmt der Beton vor allem Druckkräfte und der vom Beton umhüllte Stahl vor allem Zugkräfte.

Das künstliche Gestein Beton hat zwei besondere zeitabhängige Eigenschaften. Erstens erfährt es durch die Austrocknung eine Volumenabnahme bzw. Verkürzung, was als Schwinden bezeichnet wird. Zweitens verformt es sich unter gleichbleibender Last, das sogenannte Kriechen. Der größte Teil des Wassers wird jedoch als Kristallwasser gebunden. Beton trocknet also nicht, vielmehr bindet er ab, d.h., der zunächst dünnflüssige Zementleim (Zement + Wasser) steift an, erstarrt und wird schließlich fest, je nach Zeitpunkt und Ablauf der chemisch-mineralogischen Reaktion des Zements mit dem Wasser, der Hydratation. Durch das Wasserbindevermögen des Zementes kann der Beton, im Gegensatz zum gebrannten Kalk, auch unter Wasser erhärten und fest bleiben.

Der Frischbeton wird heutzutage meist mit Autobetonpumpen oder Kränen zur Einbringstelle gefördert.

Stahlbeton

Bewehrungsstahl, auch als Betonstahl bezeichnet, ist ein spezieller, heutzutage gerippter oder profilierter Rundstahl mit einer hohen Zugfestigkeit. Dieser wird in die Schalung des Bauteils eingebaut und anschließend einbetoniert. Dabei wird der Betonstahl durch den Beton komplett eingehüllt, was den Verbund zwischen beiden Baustoffen bewirkt.


Tragverhalten

Der Verbund zwischen dem Beton und dem Betonstahl entsteht durch die Haftung des Bindemittels Zement (Haftverbund), durch die Reibung zwischen Stahl und Beton (Reibungsverbund) und durch den infolge der Rippung des Betonstahls erzeugten Formschluss (Scherverbund). In ungerissenem Stahlbeton sind die Dehnungen der beiden Baustoffe gleich groß. Dieser Zustand, ohne Relativverschiebungen zwischen Beton und Stahl, wird auch als vollkommener Verbund bezeichnet.

Unbewehrter Beton versagt bei Zugbeanspruchung (z. B. Biegezug) aufgrund seiner Sprödigkeit ohne ankündigende Rissbildung schlagartig. Dies geschieht im Vergleich zur Druckbeanspruchung schon bei geringer Belastung, da die Zugfestigkeit klein ist. Aus diesem Grund werden die zugbeanspruchten Bereiche des Betons mit Bewehrungsstahl versehen, der einbetoniert ist. Da der Beton auf Zug den großen Dehnungen des Stahls nicht folgen kann, reißt er im Zugbereich. Im Bereich eines Risses sind dann nur noch die Bewehrungsstäbe wirksam. Zug- bzw. biegezugbeanspruchte Bauteile können daher so bemessen und hergestellt werden, dass sich das Bauteilversagen durch eine intensive Rissbildung und signifikante Verformungen vorankündigt. Bei Bauteilen, die auf Druck beansprucht werden, können Stahleinlagen die Tragfähigkeit auf Druck erhöhen.

Voraussetzung für die Anwendung des Verbundwerkstoffs Stahlbeton sind die in etwa gleich großen Wärmeausdehnungskoeffizienten (10-5 nach den Stahlbetonnormen) von Stahl und Beton, was bei Temperaturänderungen in etwa gleich große Wärmedehnungen der beiden Materialien zur Folge hat und somit keine nennenswerten Eigenspannungen im Verbundwerkstoff Stahlbeton bewirkt.


Aufgrund des Tragverhaltens sind Risse bei dem Verbundbaustoff Stahlbeton im Regelfall möglich und zulässig. Nur Sonderbauteile, wie Bodenplatten von Tankstellen, müssen rissfrei sein, was durch entsprechende Bauteilgeometrien und Dehnfugen oder Vorspannen sichergestellt wird. Sonst dürfen die Risse, je nach Umweltbedingungen und Nutzung des Bauteils, rechnerisch nicht breiter als 0,1 bis 0,4 mm sein. Eine konstruktive Maßnahme gegen zu große Rissbreiten ist das Einlegen einer ausreichenden Bewehrung, die die Risse zwar nicht verhindert, aber dafür sorgt, dass statt einiger weniger, breiter Risse entsprechend mehr aber schmale und somit ungefährliche Risse entstehen. Von diesen unvermeidbaren konstruktiven Rissen sind Oberflächenrisse zu unterscheiden, die grundsätzlich unerwünscht sind und häufig betontechnologische Gründe haben, wie eine ungünstige Frischbetonzusammensetzung (mit z.B. zu hoher Hydratationswärmeentwicklung), einen nicht ordnungsgemäßen Betoneinbau und eine ungenügende Nachbehandlung der Frischbetonoberfläche.

Bauchemie

Eine weitere Voraussetzung für den Verbundwerkstoff ist der Zementstein im Beton und dessen alkalisches Milieu mit einen pH-Wert von 10-11, das den Bewehrungsstahl vor Korrosion schützt. Dadurch ist bei ausreichender Betondeckung ein dauerhafter Korrosionsschutz des Stahls sichergestellt.

Bewehrungsüberdeckung

Eine ausreichende Bewehrungsüberdeckung, in Deutschland üblicherweise als Betondeckung bezeichnet, ist bei Stahlbetonbauteilen erforderlich, um den notwendigen Verbund zwischen Beton und Bewehrung, eine genügende Dauerhaftigkeit des Bauteils sowie einen entsprechenden Feuerwiderstand sicherzustellen. Aufgrund des erforderlichen Verbundes sollte die Bewehrungsüberdeckung mindestens dem Betonstahldurchmesser entsprechen. Aus den Umweltbedingungen ergibt sich nach der DIN 1045-1 für die erforderliche Dauerhaftigkeit die notwendige Betondeckung über dem Betonstahl. Kleiner als 15 mm darf sie nicht sein, üblich sind 20 bis 50 mm. Gewährleistet wird die Betondeckung durch Abstandhalter und Unterstützungsböcke bzw. -körbe. Unterstützungsböcke bestehen meist aus entsprechend gebogenem Betonstahl und werden vor allem für die obere Bewehrungslage von Platten verwendet. Abstandhalter werden dagegen zur Sicherstellung der Distanz zwischen Bewehrung und Schalung verwendet. Diese gibt es in verschiedensten Variationen. Es können unter anderem kleine Klötzchen oder Schlangen aus Beton bzw. Faserbeton sein, daneben sind auch Leisten oder Ringe aus Kunststoff üblich.

Einbauteile

Neben dem Betonstahl werden planmäßig auch andere Bauelemente einbetoniert. Diese werden als Einbauteile bezeichnet. Sie dienen meist der Befestigung von Bauelementen am Stahlbetonbauteil, wie zum Beispiel Stahlkonstruktionen. Dazu zählen unter anderem Ankerplatten und Ankerschienen. Weitere Einbauteile, wie Dübelleisten oder Seilschlaufen, ersetzen eine geometrisch schwierige und aufwändige Betonstahlbewehrung durch eine für die Beanspruchung des Betons spezielle entwickelte "Stahlkonstruktion" .

Bedeutung und Anwendung

Stahlbeton ist der universelle Werkstoff des 20. Jahrhunderts. Dabei ist der Beton mit über 100 Millionen Kubikmetern im Jahr der wichtigste Baustoff Deutschlands, während der Anteil des Betonstahls an der Stahlproduktion in Deutschland ca. 12 % bzw. ungefähr 6 Millionen Tonnen beträgt. Der Einsatz von Stahlbeton statt des unbewehrten Betons ist immer dann notwendig, wenn im Bauteil Zugspannungen auftreten können, die größer sein können als die Zugfestigkeit des Betons. Im Vergleich zu anderen Baustoffen, wie Stahl, Holz oder Kunststoff, ist seine Anwendung immer dann sinnvoll, wenn keine filigranen und leichte Tragstrukturen notwendig sind. Wie der Einsatz beim Bau von Bunkern zeigt, ist Stahlbeton bei ausreichenden Abmessungen auch für extreme Einwirkungen geeignet. Vorteilhaft sind insbesondere die Nichtbrennbarkeit und der hohe Feuerwiderstand. Grenzen bei der Benutzung des Baustoffes ergeben sich aus dem hohen Eigengewicht des Betons, was als tote Last die erforderliche Betonstahlmenge vergrößert und bei schlanken Konstruktionen infolge der Rissbildung zu großen Verformungen führt. In diesen Fällen ist der Einsatz einer Verbundkonstruktion oder von Spannbeton besser. Der Spannbeton unterscheidet sich vom Stahlbeton durch eine planmäßige Vorspannung (=Vordehnung) der Stahleinlagen, der so genannten Spannglieder. Damit wird eine zusätzlichen äußere Drucklängskraft aufgebracht, wodurch die Zugspannungen überdrückt werden und eine Rissbildung, somit die Bauteilverformung, stark reduziert wird.

Geschichte

Grundlage der Entwicklung waren die Erfindung des Romanzement im Jahre 1798 durch den Engländer J. Parker und des Portlandzement durch den Engländer J. Aspdin im Jahre 1824.

In der Mitte des 19. Jahrhunderts wurden erstmals in Frankreich Betonbauteile durch Stahleinlagen verstärkt. 1855 baute J. L. Lambot ein Boot aus eisenverstärktem Zementmörtel, seit 1861 stellte der Gärtner Joseph Monier Pflanzkübel aus Zementmörtel her, die er mit einem Eisengeflecht verstärkte, damit sie nicht so leicht zerbrachen. 1867 erhielt er darauf ein Patent. Bis heute heißen die verwendeten Eisenteile Moniereisen. Ältere Bezeichnungen für Stahlbeton sind Eisenbeton und Monierbeton. Bereits 1861 veröffentlichte F. Coignet Grundsätze für die Verwendung von bewehrtem Beton und stellte 1867 auf der Weltausstellung in Paris Träger und Röhren aus bewehrtem Beton aus. Der Gutspächter Joseph Loius Lambot meldete 1855 ein Patent für einen neuen "Holzbauwerkstoff" an, der er "Ferciment" nannte. Seiner Patentschrift kann folgendes entnommen werden: "Meine Erfindung hat ein neues Erzeugnis zum Gegenstand, das dazu dient, das Holz im Schiffsbau und überall dort zu ersetzen, wo es feuchtigkeitsgefährdet ist, .. Ich gebe diesem Netz (aus Draht und Stäben) eine Form, die im bestmöglichen Maße dem Gegenstand angepasst ist, den ich herstellen will und bette es anschließend in hydraulischen Cement oder ähnliches wie Bitumen, Teer oder ihren Gemischen ..." Dieses Patent wurde dann von Coignet erweitert. Parallel zu den französischen Ingenieuren führte ein amerikanischer Rechtsanwalt namens Thadeus Hyatt seit 1855 Versuche über die Verwendung von Stahleinlagen in Beton durch. In seinem Grundpatent von 1878 schrieb er unmissverständlich: " ... Hydraulic cements and concretes are combined with metal bars and rods, so as to form slabs, beams and arches. The tensible strength of the metal ist only utilized by the position, in which it is placed in slabs, beams etc. ...". Damit erkannte Hyatt eindeutig die richtige Tragwirkung.

In Deutschland erwarben 1885 G. Wayss und A. Freytag die Monierpatente und beauftragten Emil Mörsch mit einer ersten wissenschaftlich begründeten und brauchbaren Darstellung der Wirkungsweise des Eisenbetons, wie der Stahlbeton bis 1920 genannt wurde. Diese wurde 1902 veröffentlicht. Dazu führte Emil Mörsch als einer der Ersten umfangreiche Versuchsreihen durch. Er war schließlich von 1916 bis 1948 Professor für Statik der massiven Tragwerke, gewölbten Brücken und Eisenbetonbau an der Technischen Hochschule Stuttgart und hat dort die Bemessungsverfahren für Stahlbeton entscheidend mitgeprägt.

Faserbeton

Zur Verbesserung der Zugfestigkeit und der Duktilität, und damit des Bruch- und Rissverhaltens, können dem Beton Fasern zugegeben werden. Diese Fasern sind in der Matrix (Zementstein) eingebettet. Sie wirken als Bewehrung. Bei höheren Zugbeanspruchungen treten Risse im Beton auf. Durch die Verwendung eines Faserbetons werden diese Risse verhindert oder zumindest in viele, sehr feine und damit normalerweise unschädliche Risse aufgeteilt.

Es können kurze oder lange in Zugbeanspruchungsrichtung eingelegte Fasern verwendet werden. Lange Fasern werden meist in Form von Textilmatten eingesetzt. Man spricht dann von Textilbeton. Glasfasern: Normales Glas reagiert mit den Alkalien des Betons. Deshalb müssen alkalibeständige Glasfasern verwendet werden (z.B: AR-Glasfaser). Stahlfasern: Es werden Stahlfasern verschiedenster Art verwendet. (Nichtrostend, Baustahl, aufgebogen, nicht aufgebogen,...) Kunststofffasern: Hier sind insbesondere die in den USA entwickelten Kevlarfasern interessant, da sie ähnlich gute Eigenschaften wie die der übrigen Fasern besitzen. Kohlenstofffasern: Kohlenstofffasern besitzen den höchsten E-Modul der hier angeführten Fasern.

Durch Verwendung von zwei verschiedenen Fasern erhält man einen Hybridfaserbeton. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: Mischung von zwei Fasern des selben Materials aber unterschiedlicher Grösse und Gestalt, meist Stahlfasern. Die unterschiedlichen Fasern werden bei verschiedenen Rissöffnungsweiten aktiviert und können darum die Betoneigenschaften über eine grosse Verformungsspannweite beeinflussen. Mischung von zwei Fasern etwa der selben Grösse aber unterschiedlichen E-Moduls, wobei die Eigenschaften des Hybridfaserbetons eine Mischung der entsprechenden Einzelfaserbetons darstellen. Beispielsweise existieren erfolgreiche Versuchsergebnisse zu Beton mit Stahlfasern (Erhöhung der Höchstzugfestigkeit) und Polypropylenfasern (Erhöhung der Duktilität)


Verbundwerkstoffe aus Holz

Als Verbundwerkstoffe bezeichnet man Platten, die aus einer Mittellage und beidseitigen Decklagen aufgebaut sind.

Mitellage können sein:

Vollholzleisten Lagenholz Spanplatten Faserplatten Schaumharze Wellstegwaben oder Sechseckwaben aus Pappe Leisten aus Vollholz mit Hohlräumen dazwischen Spanplattenstreifen oder Holzfaserplattenstreifen mit Hohlräumen dazwischen Gitterkonstruktionen

Decklage

Absperrfurniere Furnierplatten dünne Spanplatten harte Holzfaserplatten Kunststoffauflagen Metalle

Wichtige Arten von Verbundwerkstoffen aus Holz

Stabsperrholz (ST) (= Tischlerplatte): ST besteht aus einer Mitellage von nebeneinanderliegenden 24 bis 30 mm breiten Leisten, die durch beidseitig quer aufgeleimte Furniere abgesperrt wird. Stabsperrholz wird im Möbelbau für großflächige, selbsttragende Teile (Korpusteile, Türen, Fachböden) verwendet. Im Innenausbau wird es für Verkleidungen, Einbaumöbel und Türblätter verwendet

Stäbchensperrholz (STAE): wie Stabsperrholz aufgebaut, die Mitellage besteht jedoch aus bis zu 8 mm dicken, miteinander verleimten Stäbchen aus Rundschälfurnieren. Wird wie Stabsperrholz verwendet

Bau-Stabsperrholz (BST), Bau-Stäbchensperrholz (BSTAE): wird mit dicken Absperrfurnieren aus widerstandsfähigen Holzarten wie Buche in wetterbeständiger Verleimung hergestellt. Wird für Fertighausbau, Containerbau, Betonschalungen (mit zusätzlicher Kunstharzbeschichtung) verwendet.

Parkett-Verbundplatten: Stabmittellage aus Fichtenholz, Oberschicht aus harten Bodenhölzern, Unterschicht gleich wie Oberschicht oder aus dickeren Absperrfurnier. Die Sichtfläche hat Parkettmuster und ist vorversiegelt

Sperrtüren: bestehen aus Rahmen, Einlage und Deckplatte


Sandwichkonstruktionen

Die Verbundbauweise stellt die optimale Lösung für flächige Bauteile mit geringem Gewicht und hoher Steifigkeit dar. Als Kernmaterial werden verwendet: Aramid- und Aluminiumwaben, Hartschäume (z.B. aus Polystyrol, PVC, Polyurethan, PMMA), Holzwerkstoffe (z.B. Balsaholz) und Profile aller Art. Als Kleber werden verwendet: Cyanacrylat (Sekundenkleber) und Epoxydharz. Sie besitzen eine ausgezeichnete Haftung auf unterschiedlichen Werkstoffen und werden für die Verklebung von Kunststoffen, Metallen, Holz, Glas, Beton, Keramik u.a. eingesetzt. Für die Festigkeit einer Verklebung sind die Festigkeit des Klebstoffes (Kohäsion = Zusammenhangskraft) und die Klebkraft/Haftfähigkeit an Oberflächen (Adhäsion) entscheidend.



Schlagwörter

Faserverbundwerkstoff

Composite Days 2007

Studentenprojekte

3d weaving - formenbau, Zyrtosoma 7241, Voronoia!

Weblinks

wood plastic composites - Verbundwerkstoffe mit hohem Holzfaseranteil in der Profilerzeugung

Verbundwerkstoff, Kompositwerkstoff

Persönliche Werkzeuge