Handbuch Verbundwerkstoffe (eBook)
576 Seiten
Hanser, Carl (Verlag)
978-3-446-43697-8 (ISBN)
Verbundwerkstoffe und insbesondere die faserverstärkten Polymere haben sich zu einer eigenständigen Werkstoffgruppe entwickelt und die Nische eines exklusiven Hochleistungswerkstoffs verlassen. Neue Anwendungen sind imageprägend und zeigen eine eindeutige Richtung hin zu konsequenten Leichtbautechnologien in größeren Stückzahlen. Dies und einige wichtige Neuentwicklungen zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden machten die Überarbeitung und Aktualisierung dieses Standardwerks erforderlich.
-Neue Prozessentwicklungen wurden insbesondere dann berücksichtigt wenn diese ein hohes Umsetzungspotential aufweisen und eine industrielle Einführung absehbar ist.
-Die Schnittstellen der Verarbeitungstechnik zu den eingesetzten Materialien und Bauweisen werden besprochen.
-Der Überblick aller modernen Verfahren wird ergänzt durch die physikalisch-chemischen Grundlagen und die Darstellung der Entwicklungstendenzen unter den Aspekten der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit.
-Auf die simultane Zusammenarbeit zwischen Konstruktion und Fertigung in der Entwicklung für eine werkstoffgerechte und wirtschaftliche Produktion wird besonders eingegangen.
-Die etablierten Verarbeitungsprozesse, deren werkstoffliche und prozesstechnischen Grundlagen, die Verfahrensbeschreibung und ein starker Praxisbezug stehen im Fokus.
-Konzipiert als Handbuch und Nachschlagewerk für den Ingenieur.
-Die Herausgeber und Fachautoren verfügen über langjährige Praxiserfahrung und sind auf dem Stand der aktuellsten Forschung.
Die Herausgeber arbeiten am Institut für Verbundwerkstoffe GmbH: Prof. Manfred Neitzel (ehemaliger Geschäftsführer), Prof. Peter Mitschang (technisch-wissenschaftlicher Direktor), Ulf Breuer (Geschäftsführer)
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 und Verbrauchsmaterialien 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
1. Einführung: Stand der Technik, Entwicklung, Ökobilanz
2. Werkstoffe: Fasern, Matrixsysteme, Grenzfläche und -phase, Biopolymere
3. Textile Halbzeuge: Halbzeugformen, Biaxialgewirke
4. Preformverfahren: direkt und sequentiell
5. Imprägnierte Halbzeuge: Duroplastprepregs, Thermoplastische Prepregs, Hybridgewebe (TwinTex), Thermplast UD-Tapes
6. Grundlagen der Verarbeitungsprozesse: Imprägnierung, Prozessketten, Qualitätsmanagement, Simulation (ProSimFRT und Induktionsschweißen)
7. Bauweisen und Smart-Structures
8. Autoklaventechnik
9. Pultrusionsverfahren: Duroplast- und Thermoplast-Pultrusion, Verfahrenskombination, DexWin, Pullwinding, Fußbodenquerträger
10. Wickel- und Legetechnik
11. Harzinjektionsverfahren: Vakuuminjektionsverfahren, Resin Transfer Molding, Vacuum Assisted Resin, Transfer Molding, Hochdruck-RTM
12. Pressverfahren: Fließverfahren, Thermoformen, Rollformen, Verfahrenskombinationen
13. Bearbeitung und Oberflächenbehandlung
14. Materialkreisläufe: Gesetzliche Grundlagen, Werkstoffliche- und Rohstoffliche Verwertung, Faserrecycling, Prepregrecycling
15. Fügeverfahren für FKV: Duroplastischer- und Thermoplastischer-Verbunde, Physikalische Grundlagen, Prüfmethoden
16. Arbeitssicherheit
17. Werkzeugbau
| Erscheint lt. Verlag | 3.7.2014 |
|---|---|
| Verlagsort | München |
| Sprache | deutsch |
| Themenwelt | Naturwissenschaften ► Chemie |
| Technik | |
| Schlagworte | Composites • Faserverbundwerkstoffe • Kunststoffe • Verbundwerkstoffe |
| ISBN-10 | 3-446-43697-9 / 3446436979 |
| ISBN-13 | 978-3-446-43697-8 / 9783446436978 |
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