Faserverstärkter Kunststoff

Faserverstärkter Kunststoff ( FVK ) (auch faserverstärkter Kunststoff ) ist ein Verbundwerkstoff aus einer mit Fasern verstärkten Polymermatrix. Die Fasern bestehen normalerweise aus Glas, Kohlenstoff, Aramid oder Basalt. Selten wurden andere Fasern wie Papier oder Holz oder Asbest verwendet. Das Polymer ist normalerweise ein duroplastischer Epoxid-, Vinylester- oder Polyesterkunststoff; Phenol-Formaldehyd-Harze werden immer noch verwendet.

FVK werden häufig in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Schifffahrts- und Bauindustrie eingesetzt. Sie kommen häufig auch in ballistischen Panzerungen vor.

Prozessdefinition

Ein Polymer wird im Allgemeinen durch Stufenwachstumspolymerisation oder Additionspolymerisation hergestellt. In Kombination mit verschiedenen Wirkstoffen zur Verbesserung oder Veränderung der Materialeigenschaften von Polymeren wird das Ergebnis als Kunststoff bezeichnet. Verbundkunststoffe beziehen sich auf Kunststoffarten, die durch die Verbindung von zwei oder mehr homogenen Materialien mit unterschiedlichen Materialeigenschaften entstehen, um ein Endprodukt mit bestimmten gewünschten Material- und mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Faserverstärkte Kunststoffe sind eine Kategorie von Verbundkunststoffen, die gezielt Fasermaterialien nutzen, um die Festigkeit und Elastizität von Kunststoffen mechanisch zu erhöhen. Der ursprüngliche Kunststoff ohne Faserverstärkung wird als Matrix oder Bindemittel bezeichnet. Die Matrix ist ein zäher, aber relativ schwacher Kunststoff, der durch stärkere, steifere Verstärkungsfilamente oder -fasern verstärkt wird. Das Ausmaß, in dem Festigkeit und Elastizität eines faserverstärkten Kunststoffs erhöht werden, hängt von den mechanischen Eigenschaften der Fasern und der Matrix, ihrem Volumen zueinander sowie der Faserlänge und -orientierung innerhalb der Matrix ab. ^[1] Eine Verstärkung der Matrix erfolgt per Definition, wenn das FRP-Material im Vergleich zur Festigkeit und Elastizität der Matrix allein eine erhöhte Festigkeit oder Elastizität aufweist. ^[2]

Geschichte

Bakelit war der erste faserverstärkte Kunststoff. Dr. Leo Baekeland hatte sich ursprünglich zum Ziel gesetzt, einen Ersatz für Schellack (hergestellt aus den Ausscheidungen von Lackkäfern) zu finden. Chemiker begannen zu erkennen, dass es sich bei vielen natürlichen Harzen und Fasern um Polymere handelte, und Baekeland untersuchte die Reaktionen von Phenol und Formaldehyd. Er produzierte zunächst einen löslichen Phenol-Formaldehyd-Schellack namens „Novolak“, der nie ein Markterfolg wurde, und wandte sich dann der Entwicklung eines Bindemittels für Asbest zu, das damals mit Gummi geformt wurde. Durch die Kontrolle des Drucks und der Temperatur, die auf Phenol und Formaldehyd ausgeübt wurden, entdeckte er 1905, dass er sein erträumtes hartformbares Material (den ersten synthetischen Kunststoff der Welt) herstellen konnte: Bakelit. ^{[3] [4]} Er kündigte seine Erfindung auf einer Tagung der American Chemical Society am 5. Februar 1909 an. ^[5]

Die Entwicklung faserverstärkter Kunststoffe für den kommerziellen Einsatz wurde in den 1930er Jahren intensiv erforscht. Im Vereinigten Königreich wurden umfangreiche Forschungsarbeiten von Pionieren wie Norman de Bruyne durchgeführt. Es war besonders für die Luftfahrtindustrie von Interesse. ^[6]

Die Massenproduktion von Glassträngen wurde 1932 entdeckt, als Games Slayter, ein Forscher in Owens-Illinois, versehentlich einen Druckluftstrahl auf einen Strom geschmolzenen Glases richtete und Fasern produzierte. Ein Patent für diese Methode zur Herstellung von Glaswolle wurde erstmals 1933 angemeldet. ^[7] Owens trat 1935 der Firma Corning bei und die Methode wurde 1936 von Owens Corning angepasst, um sein patentiertes „Fiberglas“ (One „s“) herzustellen. Ursprünglich war Fiberglas eine Glaswolle mit Fasern, die eine große Menge Gas einschlossen, was sie als Isolator, insbesondere bei hohen Temperaturen, nützlich machte.

Ein geeignetes Harz, um das „Fiberglas“ mit einem Kunststoff zu einem Verbundwerkstoff zu verbinden, wurde 1936 von du Pont entwickelt. Der erste Vorläufer moderner Polyesterharze ist das Harz von Cyanamid aus dem Jahr 1942. Damals wurden Peroxid-Härtungssysteme verwendet. ^[8] Durch die Kombination von Glasfaser und Harz wurde der Gasanteil des Materials durch Kunststoff ersetzt. Dadurch reduzierten sich die Isolationseigenschaften auf die für Kunststoff typischen Werte, doch nun zeigte der Verbundwerkstoff zum ersten Mal große Festigkeit und vielversprechende Eigenschaften als Struktur- und Baumaterial. Verwirrenderweise wurden viele Glasfaserverbundwerkstoffe weiterhin als „Fiberglas“ (als Gattungsname) bezeichnet, und der Name wurde auch für das Glaswolleprodukt niedriger Dichte verwendet, das Gas anstelle von Kunststoff enthielt.

Ray Greene von Owens Corning wird die Herstellung des ersten Verbundbootes im Jahr 1937 zugeschrieben, aber er ging damals aufgrund der Sprödigkeit des verwendeten Kunststoffs nicht weiter. Berichten zufolge baute Russland 1939 ein Passagierschiff aus Kunststoff und die Vereinigten Staaten einen Rumpf und Flügel eines Flugzeugs. ^[9] Das erste Auto mit einer Glasfaserkarosserie war der Stout Scarab von 1946. Von diesem Modell wurde nur ein Exemplar gebaut. ^[10] Der Ford-Prototyp von 1941 könnte das erste Plastikauto gewesen sein, es besteht jedoch eine gewisse Unsicherheit über die verwendeten Materialien, da er kurz darauf zerstört wurde. ^{[11] [12]}

Das erste Flugzeug aus faserverstärktem Kunststoff war entweder die Fairchild F-46, die erstmals am 12. Mai 1937 geflogen wurde, oder das in Kalifornien gebaute Bennett Plastic Plane. ^[13] Bei einer modifizierten Vultee BT-13A mit der Bezeichnung ^{[17] Eine} bedeutende Weiterentwicklung ^{[ 18 ]} der Werkzeuge für GFK-Komponenten wurde 1943 von der Republic Aviation Corporation durchgeführt ^.

Die Produktion von Kohlenstofffasern begann Ende der 1950er Jahre und wurde ab den frühen 1960er Jahren in der britischen Industrie eingesetzt, wenn auch nicht in großem Umfang. Zu dieser Zeit wurden auch Aramidfasern hergestellt, die zunächst unter dem Handelsnamen Nomex von DuPont auf den Markt kamen. Heutzutage wird jede dieser Fasern in der Industrie in großem Umfang für alle Anwendungen eingesetzt, die Kunststoffe mit bestimmten Festigkeits- oder Elastizitätseigenschaften erfordern. Glasfasern kommen in allen Branchen am häufigsten vor, obwohl Kohlefaser- und Kohlefaser-Aramid-Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und bei Sportartikeln weit verbreitet sind. ^[2] Diese drei (Glas, Kohlenstoff, Andaramid) sind weiterhin die wichtigsten Faserkategorien, die in FRP verwendet werden.

Die weltweite Polymerproduktion im heutigen Ausmaß begann Mitte des 20. Jahrhunderts, als niedrige Material- und Produktionskosten, neue Produktionstechnologien und neue Produktkategorien die Polymerproduktion wirtschaftlich machten. Die Industrie entwickelte sich schließlich in den späten 1970er Jahren, als die weltweite Polymerproduktion die von Stahl überstieg und Polymere zu dem allgegenwärtigen Material machte, das sie heute ist. Faserverstärkte Kunststoffe waren von Anfang an ein wichtiger Bestandteil dieser Branche.

Prozessbeschreibung

FRP umfasst zwei unterschiedliche Prozesse: Der erste ist der Prozess, bei dem das Fasermaterial hergestellt und geformt wird, der zweite ist der Prozess, bei dem Fasermaterialien während des Formens mit der Matrix verbunden werden. ^[2]

Faser

Die Herstellung von Fasergewebe

Verstärkungsfasern werden sowohl in zweidimensionaler als auch in dreidimensionaler Ausrichtung hergestellt

1. Zweidimensionale faserverstärkte Polymere zeichnen sich durch eine laminierte Struktur aus, bei der die Fasern nur entlang der Ebene in x-Richtung und y-Richtung des Materials ausgerichtet sind. Dies bedeutet, dass keine Fasern in der durchgehenden Dicke oder Z-Richtung ausgerichtet sind. Diese fehlende Ausrichtung in der durchgehenden Dicke kann zu Kosten- und Verarbeitungsnachteilen führen. Kosten und Arbeitsaufwand steigen, da herkömmliche Verarbeitungstechniken zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, wie z. B. nasses Handauflegen, Autoklavieren und Harztransferformen, einen hohen Anteil an Fachkräften zum Schneiden, Stapeln und Konsolidieren zu einer vorgeformten Komponente erfordern.

2. Dreidimensionale faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe sind Materialien mit dreidimensionalen Faserstrukturen, die Fasern in x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung enthalten. Die Entwicklung dreidimensionaler Orientierungen entstand aus dem Bedürfnis der Industrie, die Herstellungskosten zu senken, die mechanischen Eigenschaften durch die Dicke zu verbessern und die Toleranz gegenüber Stoßschäden zu verbessern. Allesamt Probleme im Zusammenhang mit zweidimensionalen faserverstärkten Polymeren.

Die Herstellung von Faservorformlingen

Bei Faservorformlingen werden die Fasern hergestellt, bevor sie mit der Matrix verbunden werden. Faservorformlinge werden häufig in Platten, Endlosmatten oder als Endlosfilamente für Sprühanwendungen hergestellt. Die vier Hauptmethoden zur Herstellung des Faservorformlings sind die Textilverarbeitungstechniken Weben, Stricken, Flechten und Nähen.

1. Das Weben kann auf herkömmliche Weise erfolgen, um zweidimensionale Fasern herzustellen, aber auch durch mehrschichtiges Weben, das dreidimensionale Fasern erzeugen kann. Beim mehrschichtigen Weben sind jedoch mehrere Lagen Kettgarne erforderlich, um Fasern in Z-Richtung zu erzeugen, was einige Nachteile bei der Herstellung mit sich bringt, nämlich die Zeit, die zum Einrichten aller Kettgarne auf dem Webstuhl benötigt wird. Daher werden die meisten Mehrschichtwebereien derzeit zur Herstellung relativ schmaler Produkte oder hochwertiger Produkte verwendet, bei denen die Kosten für die Herstellung der Vorformlinge akzeptabel sind. Ein weiteres Hauptproblem bei der Verwendung von mehrschichtigen gewebten Stoffen ist die Schwierigkeit, einen Stoff herzustellen, der Fasern enthält, die in anderen Winkeln als 0 Zoll bzw. 90 Zoll zueinander ausgerichtet sind.

2. Die zweite wichtige Art der Herstellung von Faservorformlingen ist das Flechten. Das Flechten eignet sich für die Herstellung schmaler Flach- oder Schlauchgewebe und eignet sich bei der Herstellung großer Mengen breiter Stoffe nicht so gut wie das Weben. Das Flechten erfolgt über Dornen, deren Querschnittsform oder Abmessung entlang ihrer Länge variiert. Das Flechten ist auf Objekte in der Größe von etwa einem Ziegelstein beschränkt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Weben kann beim Flechten ein Stoff hergestellt werden, dessen Fasern in einem Winkel von 45 Grad zueinander angeordnet sind. Das Flechten dreidimensionaler Fasern kann durch Vier-Stufen-, Zwei-Stufen- oder Mehrschicht-Interlock-Flechtverfahren erfolgen. Beim Vier-Stufen- oder Reihen- und Säulenflechten wird ein flaches Bett verwendet, das Reihen und Spalten von Garnträgern enthält, die die Form des gewünschten Vorformlings bilden. An der Außenseite des Arrays werden zusätzliche Träger hinzugefügt, deren genaue Position und Menge von der genauen erforderlichen Form und Struktur des Vorformlings abhängt. Es gibt vier separate Reihen- und Spaltenbewegungssequenzen, die dazu dienen, die Garne zu verschränken und den geflochtenen Vorformling herzustellen. Die Garne werden zwischen den einzelnen Schritten mechanisch in die Struktur gedrückt, um die Struktur zu festigen, ähnlich wie bei der Verwendung eines Rohrblatts beim Weben. Das zweistufige Flechten unterscheidet sich vom vierstufigen Verfahren, da das zweistufige Flechten eine große Anzahl von in axialer Richtung fixierten Garnen und eine geringere Anzahl von Flechtgarnen umfasst. Der Prozess besteht aus zwei Schritten, in denen sich die Flechtträger vollständig durch die Struktur zwischen den Axialträgern bewegen. Dieser relativ einfache Bewegungsablauf ist in der Lage, Vorformlinge praktisch jeder beliebigen Form zu formen, einschließlich kreisförmiger und hohler Formen. Im Gegensatz zum vierstufigen Verfahren ist beim zweistufigen Verfahren keine mechanische Verdichtung erforderlich. Durch die bei dem Verfahren beteiligten Bewegungen kann das Geflecht allein durch die Garnspannung festgezogen werden. Bei der letzten Flechtart handelt es sich um ein mehrschichtiges ineinandergreifendes Geflecht, das aus einer Reihe von Standard-Rundflechtern besteht, die zu einem zylindrischen Flechtrahmen zusammengefügt werden. Dieser Rahmen verfügt über eine Reihe paralleler Flechtbahnen um den Umfang des Zylinders, aber der Mechanismus ermöglicht die Übertragung von Garnträgern zwischen benachbarten Bahnen, wodurch ein mehrschichtiges geflochtenes Gewebe entsteht, bei dem die Garne mit benachbarten Schichten ineinandergreifen. Das mehrschichtige Interlock-Geflecht unterscheidet sich sowohl vom Vier-Stufen- als auch vom Zwei-Stufen-Geflecht darin, dass die ineinandergreifenden Garne hauptsächlich in der Ebene der Struktur liegen und somit die Eigenschaften des Vorformlings in der Ebene nicht wesentlich beeinträchtigen. Die vierstufigen und zweistufigen Prozesse erzeugen einen höheren Grad an Vernetzung, wenn die Flechtgarne durch die Dicke des Vorformlings wandern, tragen aber daher weniger zur Leistung des Vorformlings in der Ebene bei. Ein Nachteil der mehrschichtigen Interlock-Ausrüstung besteht darin, dass die Ausrüstung aufgrund der herkömmlichen sinusförmigen Bewegung der Garnträger zur Bildung des Vorformlings nicht in der Lage ist, die Dichte der Garnträger zu erreichen, die mit den zweistufigen und vierstufigen Maschinen möglich ist.

3. Das Stricken von Faservorformlingen kann mit den traditionellen Methoden des Ketten- und Schussstrickens erfolgen, und der hergestellte Stoff wird von vielen oft als zweidimensionaler Stoff betrachtet. Maschinen mit zwei oder mehr Nadelbetten sind jedoch in der Lage, mehrschichtige Stoffe mit Garnen herzustellen, die zwischen den Schichten verlaufen. Entwicklungen bei elektronischen Steuerungen für die Nadelauswahl und den Strickmaschentransfer sowie bei hochentwickelten Mechanismen, die es ermöglichen, bestimmte Bereiche des Stoffes zu halten und deren Bewegung zu steuern. Dadurch konnte sich das Gewebe mit einem Minimum an Materialverschwendung in die erforderliche dreidimensionale Vorformform bringen.

4. Das Nähen ist wohl die einfachste der vier wichtigsten Textilherstellungstechniken und kann mit der geringsten Investition in Spezialmaschinen durchgeführt werden. Im Wesentlichen besteht das Nähen darin, eine Nadel, die den Nähfaden trägt, durch einen Stapel von Stoffschichten zu stechen, um eine 3D-Struktur zu bilden. Die Vorteile des Nähens bestehen darin, dass es möglich ist, sowohl trockenes als auch Prepreg-Gewebe zu nähen, obwohl die Klebrigkeit des Prepregs den Prozess erschwert und im Allgemeinen mehr Schäden im Prepreg-Material verursacht als im trockenen Gewebe. Beim Nähen werden auch die standardmäßigen zweidimensionalen Stoffe verwendet, die üblicherweise in der Verbundwerkstoffindustrie verwendet werden, daher besteht ein Gefühl der Vertrautheit mit den Materialsystemen. Die Verwendung von Standardgewebe ermöglicht zudem eine größere Flexibilität beim Gewebeaufbau des Bauteils als dies bei anderen Textilverfahren möglich ist, die Einschränkungen hinsichtlich der herstellbaren Faserorientierungen aufweisen. ^[19]

Umformprozesse

Zur Festlegung der Form von FVK-Bauteilen wird üblicherweise eine starre Struktur verwendet. Teile können auf einer flachen Oberfläche, die als „Druckplatte“ bezeichnet wird, oder auf einer zylindrischen Struktur, die als „Dorn“ bezeichnet wird, abgelegt werden. Die meisten faserverstärkten Kunststoffteile werden jedoch mit einer Form oder einem „Werkzeug“ hergestellt. Formen können konkave Matrizen oder Patrizen sein, oder die Form kann das Teil mit einer oberen und unteren Form vollständig umschließen.

Der Formprozess von FRP-Kunststoffen beginnt mit dem Platzieren des Faservorformlings auf oder in der Form. Bei der Faservorform kann es sich um trockene Fasern oder um Fasern handeln, die bereits eine abgemessene Menge Harz enthalten, das als „Prepreg“ bezeichnet wird. Trockene Fasern werden entweder von Hand mit Harz „benetzt“ oder das Harz wird in eine geschlossene Form eingespritzt. Das Teil wird dann ausgehärtet, wobei die Matrix und die Fasern in der durch die Form erzeugten Form zurückbleiben. Manchmal werden Hitze und/oder Druck eingesetzt, um das Harz auszuhärten und die Qualität des Endteils zu verbessern. Nachfolgend sind die unterschiedlichen Umformverfahren aufgeführt.

Blasenformen

Einzelne Schichten aus Prepreg-Material werden aufeinandergelegt und zusammen mit einer ballonähnlichen Blase in eine weibliche Form gelegt. Die Form wird geschlossen und in eine beheizte Presse gegeben. Schließlich wird die Blase unter Druck gesetzt, wodurch die Materialschichten gegen die Formwände gedrückt werden.

Formpressen

Wenn das Rohmaterial (Kunststoffblock, Gummiblock, Kunststofffolie oder Granulat) Verstärkungsfasern enthält, gilt ein formgepresstes Teil als faserverstärkter Kunststoff. Typischererweise enthält der beim Formpressen verwendete Kunststoffvorformling keine Verstärkungsfasern. Beim Formpressen wird ein „Vorformling“ oder eine „Charge“ aus SMC oder BMC in den Formhohlraum eingebracht. Die Form wird geschlossen und das Material wird im Inneren durch Druck und Hitze geformt und ausgehärtet. Das Formpressen bietet hervorragende Details für geometrische Formen, von Muster- und Reliefdetails über komplexe Kurven und kreative Formen bis hin zu Präzisionstechnik, und das alles innerhalb einer maximalen Aushärtezeit von 20 Minuten. ^[20]

Autoklav und Vakuumbeutel

Einzelne Prepreg-Materialbahnen werden aufeinandergelegt und in eine offene Form gelegt. Das Material wird mit Trennfolie, Entlüftungs-/Entlüftungsmaterial und einem Vakuumbeutel abgedeckt. An einem Teil wird ein Vakuum angelegt und die gesamte Form wird in einen Autoklaven (beheizten Druckbehälter) gestellt. Das Teil wird mit einem kontinuierlichen Vakuum ausgehärtet, um eingeschlossene Gase aus dem Laminat zu entfernen. Dies ist ein sehr verbreitetes Verfahren in der Luft- und Raumfahrtindustrie, da es aufgrund eines langen, langsamen Aushärtezyklus, der zwischen einer und mehreren Stunden dauert, eine präzise Kontrolle über das Formen ermöglicht. ^[21] Diese präzise Steuerung erzeugt genau die geometrischen Laminatformen, die zur Gewährleistung von Festigkeit und Sicherheit in der Luft- und Raumfahrtindustrie erforderlich sind. Sie ist jedoch auch langsam und arbeitsintensiv, was bedeutet, dass sie aufgrund der Kosten häufig auf die Luft- und Raumfahrtindustrie beschränkt ist. ^[20]

Dornumwicklung

Platten aus Prepreg-Material werden um einen Stahl- oder Aluminiumdorn gewickelt. Das Prepreg-Material wird durch Nylon- oder Polypropylen-Celloband verdichtet. Die Teile werden in der Regel stapelweise durch Vakuumverpacken und Hängen in einem Ofen ausgehärtet. Nach dem Aushärten werden das Cello und der Dorn entfernt, wobei ein hohles Kohlenstoffrohr zurückbleibt. Durch diesen Prozess entstehen starke und robuste Carbon-Hohlrohre.

Nasses Layup

Bei der Nasslaminatformung werden Faserverstärkung und Matrix beim Auflegen auf das Formwerkzeug kombiniert. ^[2] Verstärkungsfaserschichten werden in eine offene Form gelegt und dann mit einem feuchten Harz getränkt, indem es über den Stoff gegossen und in den Stoff eingearbeitet wird. Anschließend wird die Form belassen, damit das Harz aushärtet, normalerweise bei Raumtemperatur, manchmal wird jedoch auch Wärme eingesetzt, um eine ordnungsgemäße Aushärtung sicherzustellen. Manchmal wird ein Vakuumbeutel verwendet, um einen nassen Schichtaufbau zu komprimieren. Für diesen Prozess werden am häufigsten Glasfasern verwendet. Das Ergebnis ist weithin als Glasfaser bekannt und wird zur Herstellung gängiger Produkte wie Ski, Kanus, Kajaks und Surfbretter verwendet. ^[20]

Hubschrauberpistole

Endlose Glasfaserstränge werden durch eine Handpistole geschoben, die die Stränge zerschneidet und sie mit einem katalysierten Harz wie Polyester verbindet. Das imprägnierte gehackte Glas wird in der Dicke und dem Design, die der menschliche Bediener für angemessen hält, auf die Formoberfläche geschossen. Dieses Verfahren eignet sich für große Produktionsläufe zu wirtschaftlichen Kosten, erzeugt jedoch geometrische Formen mit geringerer Festigkeit als andere Formverfahren und weist geringe Maßtoleranzen auf. Design Tanks LLC ist einer der Top-Hersteller, die dieses Verfahren anwenden. ^[20]

Filamentwicklung

Maschinen ziehen Faserbündel durch ein nasses Harzbad und wickeln sie in bestimmten Ausrichtungen über einen rotierenden Stahldorn. Die Teile werden entweder bei Raumtemperatur oder bei erhöhten Temperaturen ausgehärtet. Der Dorn wird herausgezogen und hinterlässt eine endgültige geometrische Form, die in manchen Fällen jedoch auch belassen werden kann. ^[20]

Pultrusion

Faserbündel und Schlitzgewebe werden durch ein nasses Harzbad gezogen und in die Rohteilform gebracht. Das gesättigte Material wird aus einer beheizten geschlossenen Düse extrudiert und härtet aus, während es kontinuierlich durch die Düse gezogen wird. Einige der Endprodukte der Pultrusion sind Strukturformen, z. B. I-Träger, Winkel, Kanäle und flache Bleche. Mit diesen Materialien können alle Arten von Glasfaserkonstruktionen wie Leitern, Plattformen, Handlaufsysteme für Tanks, Rohre und Pumpenhalterungen hergestellt werden. ^[20]

Harztransferformen

Auch genannt Harzinfusion . Stoffe werden in eine Form gelegt, in die dann nasses Harz eingespritzt wird. Beim Harzspritzpressen wird Harz typischerweise unter Druck gesetzt und in einen Hohlraum gedrückt, der unter Vakuum steht. Beim vakuumunterstützten Harztransferformen wird das Harz vollständig unter Vakuum in die Kavität gezogen. Dieses Formverfahren ermöglicht präzise Toleranzen und eine detaillierte Formgebung, kann jedoch manchmal dazu führen, dass der Stoff nicht vollständig gesättigt wird, was zu Schwachstellen in der endgültigen Form führt. ^[20]

Vorteile und Einschränkungen

FRP ermöglicht die Ausrichtung der Glasfasern von Thermoplasten entsprechend spezifischer Designprogramme. Die Festlegung der Ausrichtung der Verstärkungsfasern kann die Festigkeit und Verformungsbeständigkeit des Polymers erhöhen. Glasfaserverstärkte Polymere sind am stärksten und widerstandsfähigsten gegenüber Verformungskräften, wenn die Polymerfasern parallel zur ausgeübten Kraft verlaufen, und am schwächsten, wenn die Fasern senkrecht verlaufen. Somit ist diese Fähigkeit je nach Nutzungskontext sowohl ein Vorteil als auch eine Einschränkung. Schwachstellen senkrechter Fasern können für natürliche Scharniere und Verbindungen genutzt werden, können aber auch zu Materialversagen führen, wenn Produktionsprozesse die Fasern nicht richtig parallel zu den erwarteten Kräften ausrichten. Wenn Kräfte senkrecht zur Ausrichtung der Fasern ausgeübt werden, ist die Festigkeit und Elastizität des Polymers geringer als die der Matrix allein. Bei Gießharzbauteilen aus glasfaserverstärkten Polymeren wie UP und EP kann die Ausrichtung der Fasern in zweidimensionalen und dreidimensionalen Geweben erfolgen. Dies bedeutet, dass Kräfte, die möglicherweise senkrecht zu einer Ausrichtung sind, parallel zu einer anderen Ausrichtung sind. Dadurch wird die Möglichkeit von Schwachstellen im Polymer eliminiert.

Fehlermodi

Strukturelles Versagen kann bei FRP-Materialien auftreten, wenn:

• Zugkräfte dehnen die Matrix stärker als die Fasern, wodurch das Material an der Grenzfläche zwischen Matrix und Fasern schert.

• Zugkräfte in der Nähe des Faserendes überschreiten die Toleranzen der Matrix und trennen die Fasern von der Matrix.

• Zugkräfte können auch die Toleranzen der Fasern überschreiten, wodurch die Fasern selbst brechen und es zu Materialversagen kommt. ^[2]

Materialbedarf

Ein duroplastisches Polymermatrixmaterial oder ein thermoplastisches Polymermatrixmaterial in technischer Qualität muss bestimmte Anforderungen erfüllen, um zunächst für FVK geeignet zu sein und eine erfolgreiche Selbstverstärkung sicherzustellen. Die Matrix muss in der Lage sein, sich ordnungsgemäß zu sättigen und sich vorzugsweise chemisch mit der Faserverstärkung zu verbinden, um innerhalb einer geeigneten Aushärtezeit eine maximale Haftung zu erreichen. Die Matrix muss außerdem die Fasern vollständig umhüllen, um sie vor Schnitten und Kerben zu schützen, die ihre Festigkeit verringern würden, und um Kräfte auf die Fasern zu übertragen. Die Fasern müssen außerdem voneinander getrennt gehalten werden, damit ein Fehler so weit wie möglich lokalisiert wird. Wenn ein Fehler auftritt, muss sich die Matrix aus ähnlichen Gründen auch von der Faser lösen. Schließlich sollte die Matrix aus einem Kunststoff bestehen, der während und nach den Verstärkungs- und Formprozessen chemisch und physikalisch stabil bleibt. Um als Verstärkungsmaterial geeignet zu sein, müssen Faserzusätze die Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul der Matrix erhöhen und folgende Bedingungen erfüllen: Fasern müssen den kritischen Fasergehalt überschreiten; die Festigkeit und Steifigkeit der Fasern selbst muss die Festigkeit und Steifigkeit der Matrix allein übertreffen; und es muss eine optimale Bindung zwischen Fasern und Matrix bestehen

Glasfasermaterial

„Glasfaserverstärkte Kunststoffe“ oder FRP (allgemein einfach als Glasfaser bezeichnet) verwenden Glasfasern in Textilqualität. Diese Textilfasern unterscheiden sich von anderen Formen von Glasfasern, die zum gezielten Einschließen von Luft für Isolieranwendungen verwendet werden (siehe Glaswolle). Textile Glasfasern bestehen zunächst aus unterschiedlichen Kombinationen von SiO ₂, AlO ₂, ₃BO ₂, ₃CaO oder MgO in Pulverform. Diese Mischungen werden dann durch direktes Schmelzen auf Temperaturen um 1300 Grad Celsius erhitzt. Anschließend werden mithilfe von Düsen Glasfaserfilamente mit einem Durchmesser von 9 bis 17 µm extrudiert. Diese Filamente werden dann zu größeren Fäden aufgewickelt und zum Transport und zur Weiterverarbeitung auf Spulen gesponnen. Glasfaser ist bei weitem das beliebteste Mittel zur Verstärkung von Kunststoffen und verfügt daher über eine Vielzahl von Produktionsverfahren, von denen einige aufgrund ihrer gemeinsamen Fasereigenschaften auch auf Aramid- und Kohlenstofffasern anwendbar sind.

Roving ist ein Verfahren, bei dem Filamente zu Fäden mit größerem Durchmesser gesponnen werden. Diese Fäden werden dann häufig für gewebte Verstärkungsglasgewebe und -matten sowie für Sprühanwendungen verwendet.

Fasergewebe sind bahnförmige Gewebeverstärkungsmaterialien, die sowohl Kett- als auch Schussrichtung haben. Fasermatten sind bahnförmige Vliesmatten aus Glasfasern. Matten werden im Schnittmaß mit Schnittfasern oder in Endlosmatten mit Endlosfasern hergestellt. Gehackte Glasfasern werden in Prozessen verwendet, bei denen Glasfäden mit einer Länge zwischen 3 und 26 mm geschnitten werden. Die Fäden werden dann in Kunststoffen verwendet, die am häufigsten für Formprozesse bestimmt sind. Glasfaser-Kurzstränge sind kurze 0,2–0,3 mm dicke Glasfaserstränge, die zur Verstärkung von Thermoplasten am häufigsten beim Spritzgießen verwendet werden.

Kohlefaser

Kohlenstofffasern entstehen, wenn Polyacrylnitrilfasern (PAN), Pechharze oder Rayon bei hohen Temperaturen karbonisiert werden (durch Oxidation und thermische Pyrolyse). Durch weitere Prozesse der Graphitierung oder Streckung kann die Festigkeit bzw. Elastizität der Fasern erhöht werden. Kohlenstofffasern werden in Durchmessern analog zu Glasfasern mit Durchmessern von 4 bis 17 µm hergestellt. Diese Fasern werden für den Transport und weitere Produktionsprozesse zu größeren Fäden gewickelt. ^[2] Weitere Produktionsprozesse umfassen das Weben oder Flechten zu Kohlenstoffgeweben, -tüchern und -matten analog zu den für Glas beschriebenen, die dann in tatsächlichen Verstärkungen verwendet werden können. ^[1]

Aramidfasermaterial

Aramidfasern sind am häufigsten als Kevlar, Nomex und Technora bekannt. Aramide werden im Allgemeinen durch die Reaktion zwischen einer Amingruppe und einer Carbonsäurehalogenidgruppe (Aramid) hergestellt; ^[1] Dies geschieht üblicherweise, wenn ein aromatisches Polyamid aus einer flüssigen Schwefelsäurekonzentration zu einer kristallisierten Faser gesponnen wird. ^[2] Fasern werden dann zu größeren Fäden gesponnen, um sie zu großen Seilen oder gewebten Stoffen (Aramid) zu verweben. ^[1] Aramidfasern werden in unterschiedlichen Qualitäten hergestellt, die auf unterschiedlichen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften basieren, sodass das Material in gewisser Weise auf spezifische Designanforderungen zugeschnitten werden kann, wie z. B. das Schneiden des zähen Materials während der Herstellung. ^[2]

Beispielhafte Polymer- und Verstärkungskombinationen

Verstärkungsmaterial [2]	Die gängigsten Matrixmaterialien	haben ihre Eigenschaften verbessert
Glasfasern	UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE	Festigkeit, Elastizität, Hitzebeständigkeit
Holzfasern	PE, PP, ABS, HDPE, PLA	Biegefestigkeit, Zugmodul, Zugfestigkeit
Kohlenstoff- und Aramidfasern	EP, UP, VE, PA	Elastizität, Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, elektrische Festigkeit.
Anorganische Partikel	Teilkristalline Thermoplaste, UP	Isotrope Schrumpfung, Abrieb, Druckfestigkeit

Anwendungen

Faserverstärkte Kunststoffe eignen sich am besten für jedes Designprogramm, das Gewichtseinsparungen, Präzisionstechnik, endliche Toleranzen und die Vereinfachung von Teilen sowohl in der Produktion als auch im Betrieb erfordert. Ein geformtes Polymer-Artefakt ist billiger, schneller und einfacher herzustellen als ein Guss-Aluminium- oder Stahl-Artefakt und weist ähnliche und manchmal bessere Toleranzen und Materialstärken auf.

Kohlenstofffaserverstärkte Polymere

Ruder des Airbus A310

• Vorteile gegenüber einem herkömmlichen Ruder aus Aluminiumblech sind:

• 25 % Gewichtsreduzierung

• 95 % Reduzierung der Komponenten durch Kombination von Teilen und Formen zu einfacheren Formteilen.

• Die allgemeine Reduzierung der Produktions- und Betriebskosten, die Wirtschaftlichkeit der Teile führt zu niedrigeren Produktionskosten und die Gewichtseinsparungen führen zu Treibstoffeinsparungen, die die Betriebskosten des Flugzeugflugs senken.

Glasfaserverstärkte Polymere

Motorsaugrohre bestehen aus glasfaserverstärktem PA 66.

• Die Vorteile gegenüber Verteilern aus Aluminiumguss sind:

• Bis zu 60 % Gewichtsreduzierung

• Verbesserte Oberflächenqualität und Aerodynamik

• Reduzierung der Komponenten durch Kombination von Teilen und Formen zu einfacheren Formformen.

Automotive Gas- und Kupplungspedale aus glasfaserverstärktem PA 66 (DWP 12–13)

• Vorteile gegenüber gestanztem Aluminium sind:

• Pedale können als einzelne Einheiten geformt werden, die sowohl Pedale als auch mechanische Verbindungen kombinieren, was die Herstellung und den Betrieb des Designs vereinfacht.

• Fasern können so ausgerichtet werden, dass sie bestimmten Belastungen standhalten und so die Haltbarkeit und Sicherheit erhöhen.

Aluminiumfenster, -türen und -fassaden werden durch den Einsatz von Wärmedämmkunststoffen aus glasfaserverstärktem Polyamid wärmegedämmt. 1977 produzierte die Ensinger GmbH das erste Dämmprofil für Fenstersysteme.

Strukturelle Anwendungen

FRP kann zur Verstärkung von Balken, Säulen und Platten von Gebäuden und Brücken eingesetzt werden. Es ist möglich, die Festigkeit von Bauteilen zu erhöhen, selbst wenn diese aufgrund der Belastungsbedingungen stark beschädigt wurden. Bei beschädigten Stahlbetonbauteilen wäre zunächst eine Sanierung des Bauteils durch Entfernen loser Trümmer und das Verfüllen von Hohlräumen und Rissen mit Mörtel oder Epoxidharz erforderlich. Sobald das Bauteil repariert ist, kann eine Verstärkung erreicht werden, indem die Faserplatten von Hand nass aufgelegt werden, indem man sie mit Epoxidharz imprägniert und sie dann auf die gereinigten und vorbereiteten Oberflächen des Bauteils aufträgt.

Für die Verstärkung von Balken werden in der Regel zwei Techniken eingesetzt, die sich auf die gewünschte Festigkeitssteigerung beziehen: Biegeverstärkung oder Schubverstärkung. In vielen Fällen kann es notwendig sein, beide Kraftverbesserungen vorzunehmen. Zur Biegeverstärkung eines Balkens werden FRP-Blätter oder -Platten auf die Zugfläche des Elements aufgebracht (die Unterseite bei einem einfach unterstützten Element mit aufgebrachter Oberlast oder Schwerkraftlast). Die Hauptzugfasern sind in der Längsachse des Trägers ausgerichtet, ähnlich wie bei der inneren Biegestahlbewehrung. Dies erhöht die Festigkeit des Trägers und seine Steifigkeit (Belastung, die erforderlich ist, um eine Durchbiegung der Einheit zu bewirken), verringert jedoch die Durchbiegungsfähigkeit und Duktilität.

Zur Schubverstärkung eines Balkens wird FRP auf den Steg (die Seiten) eines Bauteils aufgetragen, wobei die Fasern quer zur Längsachse des Balkens ausgerichtet sind. Die Aufnahme von Scherkräften wird auf ähnliche Weise wie bei inneren Stahlbügeln durch die Überbrückung von Scherrissen erreicht, die sich unter der aufgebrachten Belastung bilden. FRP kann je nach den freiliegenden Flächen des Bauteils und dem gewünschten Verstärkungsgrad in verschiedenen Konfigurationen angewendet werden. Dazu gehören: Seitenverklebung, U-Ummantelungen (U-Mantel) und geschlossene Ummantelungen (vollständige Ummantelungen). Bei der Seitenverklebung wird FRP nur an den Seiten des Balkens angebracht. Es bietet die geringste Schubverstärkung aufgrund von Ausfällen, die durch Ablösen von der Betonoberfläche an den freien FRP-Kanten verursacht werden. Bei U-Umwicklungen wird das FRP kontinuierlich in einer „U“-Form um die Seiten und die untere (Spannungs-)Fläche des Trägers herum angebracht. Wenn alle Flächen eines Trägers zugänglich sind, ist die Verwendung geschlossener Umhüllungen wünschenswert, da diese die größte Festigkeitssteigerung bieten. Bei der geschlossenen Umhüllung wird FRP rund um den gesamten Umfang des Bauteils aufgetragen, sodass keine freien Enden vorhanden sind und die typische Fehlerursache ein Bruch der Fasern ist. Bei allen Wickelkonfigurationen kann das FRP entlang der Länge des Elements als durchgehende Folie oder als einzelne Streifen mit vordefinierter Mindestbreite und Mindestabstand angebracht werden.

Platten können durch Anbringen von FRP-Streifen an ihrer Unterseite (Spannfläche) verstärkt werden. Dies führt zu einer besseren Biegeleistung, da die Zugfestigkeit der Platten durch die Zugfestigkeit von FRP ergänzt wird. Bei Balken und Platten hängt die Wirksamkeit der FRP-Verstärkung von der Leistung des für die Verklebung gewählten Harzes ab. Dies ist insbesondere bei der Schubverstärkung durch seitliche Verklebungen oder U-Wickel ein Problem. Säulen sind in der Regel um ihren Umfang herum mit FRP umwickelt, beispielsweise bei geschlossener oder vollständiger Ummantelung. Dies führt nicht nur zu einer höheren Scherfestigkeit, sondern, was für die Säulenkonstruktion noch wichtiger ist, zu einer erhöhten Druckfestigkeit unter axialer Belastung. Die FRP-Umhüllung wirkt, indem sie die seitliche Ausdehnung der Säule einschränkt, was den Einschluss auf ähnliche Weise verbessern kann wie die Spiralverstärkung für den Säulenkern.

Aufzugskabel

Im Juni 2013 kündigte das Aufzugsunternehmen KONE Ultrarope als Ersatz für Stahlseile in Aufzügen an. Es versiegelt die Kohlenstofffasern in einem Polymer mit hoher Reibung. Im Gegensatz zu Stahlseilen wurde Ultrarope für Gebäude entwickelt, die einen Hub von bis zu 1.000 Metern erfordern. Stahlaufzüge erreichen eine Höhe von 500 Metern. Das Unternehmen schätzte, dass ein Aufzug in einem 500 Meter hohen Gebäude 15 Prozent weniger Strom verbrauchen würde als eine Version mit Stahlseilen. Bis Juni 2013 hatte das Produkt alle Zertifizierungstests der Europäischen Union und der USA bestanden. ^[22]

Designüberlegungen

FRP wird in Konstruktionen verwendet, die ein Maß an Festigkeit oder Elastizitätsmodul erfordern, für das unverstärkte Kunststoffe und andere Materialoptionen entweder mechanisch oder wirtschaftlich nicht geeignet sind. Dies bedeutet, dass die primäre Designüberlegung bei der Verwendung von FRP darin besteht, sicherzustellen, dass das Material wirtschaftlich und auf eine Art und Weise verwendet wird, die seine strukturellen Verbesserungen gezielt nutzt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, denn die Ausrichtung der Fasern führt auch zu einer Materialschwächung senkrecht zu den Fasern. Somit beeinflusst die Verwendung von Faserverstärkungen und deren Ausrichtung die Festigkeit, Steifigkeit und Elastizität einer endgültigen Form und damit die Funktion des Endprodukts selbst. Die Orientierung der Faserrichtung entweder unidirektional, zweidimensional oder dreidimensionalen während der Produktion beeinflusst den Grad der Festigkeit, Flexibilität und Elastizität des Endprodukts. Fasern, die in Richtung der Kräfte ausgerichtet sind, weisen einen größeren Widerstand gegen Verformung durch diese Kräfte auf und umgekehrt. Daher werden Bereiche eines Produkts, die Kräften standhalten müssen, mit Fasern in der gleichen Richtung verstärkt, und Bereiche, die Flexibilität erfordern, wie z. B. natürliche Scharniere, werden mit Fasern in einer senkrechten Richtung zu den Kräften verstärkt. Durch die Verwendung weiterer Dimensionen wird dieses Entweder-Oder-Szenario vermieden und Objekte erstellt, die spezifische Schwachstellen aufgrund der unidirektionalen Ausrichtung der Fasern vermeiden sollen. Die Eigenschaften Festigkeit, Flexibilität und Elastizität können auch durch die geometrische Form und das Design des Endprodukts verstärkt oder verringert werden. Dazu gehören Designüberlegungen wie die Sicherstellung der richtigen Wandstärke und die Erstellung multifunktionaler geometrischer Formen, die als Einzelstücke geformt werden können, wodurch Formen entstehen, die durch die Reduzierung von Verbindungen, Verbindungen und Hardware eine höhere Material- und Strukturintegrität aufweisen. ^[2]

Bedenken hinsichtlich der Entsorgung und des Recyclings

Als Teilmenge der Kunststoffe sind FR-Kunststoffe mit einer Reihe von Problemen und Bedenken bei der Entsorgung und dem Recycling von Kunststoffabfällen behaftet. Kunststoffe stellen beim Recycling eine besondere Herausforderung dar, da sie aus Polymeren und Monomeren hergestellt werden, die häufig nicht getrennt und in ihren ursprünglichen Zustand zurückgeführt werden können. Aus diesem Grund können nicht alle Kunststoffe zur Wiederverwendung recycelt werden. Einige Schätzungen gehen sogar davon aus, dass nur 20 bis 30 % der Kunststoffe überhaupt recycelt werden können. Auch bei faserverstärkten Kunststoffen und deren Matrizes bestehen diese Entsorgungs- und Umweltbedenken. Zusätzlich zu diesen Bedenken führt die Tatsache, dass die Fasern selbst schwierig aus der Matrix zu entfernen und für die Wiederverwendung aufzubewahren sind, dazu, dass FRPs diese Herausforderungen noch verstärken. Es ist von Natur aus schwierig, FRPs in Basismaterialien, d. h. in Fasern und Matrix, und die Matrix in getrennt verwendbare Kunststoffe, Polymere und Monomere zu trennen. Dies alles sind Anliegen für umweltbewusstes Design von heute. Kunststoffe bieten im Vergleich zu anderen Materialien häufig Energieeinsparungen und wirtschaftliche Einsparungen. Darüber hinaus wird FRP mit dem Aufkommen neuer, umweltfreundlicherer Matrizen wie Biokunststoffen und UV-abbaubaren Kunststoffen an Umweltverträglichkeit gewinnen. ^[1]

Siehe auch

• Langfaserverstärkter Thermoplast

Referenzen

>>>>>Hinweis: Artikel stammt von https://en.wikipedia.org/wiki/Fibre-reinforced_plastic<<<<