Grundlagen Epoxydharze - Kap. 1 Arbeitsanleitungen

BAUTEILKONSTRUKTIONEN AUSSAGEN ÜBER DAS AUSLEGEN VON COMPOSITE-BAUTEILENCOMPONENT DESIGNS GENERAL STATEMENTS ON THE DESIGN OF COMPOSITE COMPONENTS1Jörg WillingLabor Advanced MaterialsAkzo, WuppertalFocusDie Entwicklung der Hochleistungsfasern führt zu völlig neuen Möglichkeitenbei der Konstruktion und Auslegung von Bauteilen. Durch den gezielten Einsatzvon Verstärkungen, d.h. das Ausrichten der Verstärkungsfasern inBelastungsrichtung, ist es möglich, ein optimal an die Belastung angepaßtesBauteil mit minimalem Materialaufwand zu konstruieren. Nicht nur für die LuftundRaumfahrt sind diese Gewichtseinsparungen interessant, sondern auch imkonventionellen Maschinenbau. Durch Gewichtseinsparungen kann z.B. aufzusätzliche Lagerungen, größere Antriebsaggregate oder kostspieligeBahnführungselemente verzichtet werden. Durch das geringere Masseträgheitsmomentsind wesentlich höhere Dreh- und Taktzahlen möglich. Insgesamt habendie sogenannten „Neuen Werkstoffe“ gegenüber den konventionellen Materialienviele Vorteile.Bei Faserverbundwerkstoffen handelt es sich, im Gegensatz zu denkonventionellen Werkstoffen, um anisotrope Materialien. Der Verbundbesteht aus Fasern, die in eine sie umgebende Matrix (Harze oder Thermoplaste)eingebettet sind. Während die Faser die Verstärkungskomponente in dementstehenden Werkstoff übernimmt, dient die Matrix dazu:The development of high-performance fibres opens up completely newpossibilities in the design and structure of components. The targeted applicationof reinforcing measures, i.e. orienting the reinforcing fibres along the directionof loading, has made it possible to adapt a component design optimally to theload conditions with the minimum of material expenditure. These savings inweight are of interest not only to the aerospace travel sectors, but also toconventional machine construction. With these savings in weight, for example,the designer can do away with extra bearings, more cumbersome drive units,and costly path guide elements. And owing to the low moment of inertia,essentially higher rotational speeds and cycle times are possible. All in all,these so-called new materials offer a lot of advantages over the conventionalones.In contrast to conventional materials, fibre composites are anisotropic. Thecomposite is made up of fibres that are embedded in an all-surrounding resinor thermoplastic, the so-called matrix. Whereas the fibres take over the job ofreinforcing the resulting material, the purpose of the matrix is:Die Fasern räumlich zu fixierenDie Kräfte auf die Fasern zu übertragenDie Fasern bei Druckbeanspruchung zu stützenDie Fasern vor der Einwirkung von Umgebungsmedien• zu schützen.To fix the fibres in placeTo transfer applied forces to the fibresTo support the fibres under compressive loadingTo protect the fibres from the effects of ambientmedia.Durch das Ausrichten der Fasern in den Beanspruchungsrichtungen ist esmöglich, den Werkstoff genau an seine speziellen Anforderungen (Lastfälle)anzupassen. Gerade durch diese Adaption wird es dem Konstrukteur ermöglicht,das Bauteil optimal zu dimensionieren und die maximale Gewichtseinsparungzu erzielen.DieAnisotropie der Faserverbundwerkstoffe erfordert von den Konstrukteurenein Umdenken gegenüber dem Umgang mit den konventionellen isotropenWerkstoffen. Das gezielte Verstärken der Bauteile mit Fasern führt zurichtungsabhängigen mechanischen Kennwerten des Bauteils. Bei denFaserverbundwerkstoffen wird nicht nur das Bauteil, sondern auch das Laminatkonstruiert.Orienting the fibres in the various directions of loading serves to adapt thematerial precisely to the specific requirements placed on it (loading conditions).And it is exactly this adaptation that enables the designer to dimension thecomponent optimally and to achieve the maximum savings in weight.In face of the anisotropic properties of fibre composites, designers are forcedto take a different approach from that in handling conventional isotropicmaterials. The targeted reinforcement of components with fibres gives rise toa series of mechanical characteristics that differ when measured alongdifferent directions in the component. In the case of fibre composites, thedesign applies not only to the component itself, but also to the laminate.Um dies bei der Konstruktion zu beachten und die sich aus diesen Möglichkeitenergebenden Vorteile richtig zu nutzen, ist es notwendig, dem KonstrukteurAuslegungshinweise und Berechnungsmethoden an die Hand zu geben.Nachfolgend sind einige Schritte aufgeführt, die bei der Auslegung von Faserverbundteilenbeachtet bzw. durchgeführt werden müssen. Die Reihenfolge, inder dies geschieht, richtet sich nicht zuletzt nach den Wünschen der Auftraggeberund den existierenden Anforderungen und Restriktionen.1.14Unidirektionales LaminatUnidirectional laminateMultidirektionales (quasiisotropes) LaminatMultidirectional (quasi-isotropic) laminateBefore these factors can be taken up adequately in the design, and the associatedadvantages properly utilised, the designer must first be given the designcriteria and the appropriate methods of calculation.The following presents a list of steps that must be included in the designphase for fibre composite components. The order in which these steps aretaken does not finally depend on the customer’s wishes or the existingrequirements and restrictions.Ausg./Ed. 01.03 Änderungen vorbehalten / Modifications reservedR&G Faserverbundwerkstoffe GmbH • D-71111 Waldenbuch • Fon 0 71 57/53 04 60 • Fax 0 71 57/53 04 70 • www.r-g.de