1 - Suter Swiss-Composite Group

Ausg./Ed. 06.09 Änderungen vorbehalten / Modifications reserved
Belastungen, restriktionen, anforderungskatalog
Bevor über Konstruktion und Auslegung nachgedacht wird, müssen die
wirklichen Anforderungen ermittelt werden. Oft wird von einem Bauteil
aus konventionellen Werkstoffen ausgegangen und eine 1:1 Substitution
gewünscht, bzw. werden dieselben mechanischen Kennwerte des bisherigen
Bauteils verlangt. Dies führt nicht zu optimalen Lösungen. Um das Faserverbundbauteil
optimal zu konstruieren, müssen die realen Belastungen und
Restriktionen bekannt sein. Die Erstellung eines Anforderungskataloges kann
hierbei sehr hilfreich sein.
konstruktion/herstellungsverfahren
Schon vor der eigentlichen Konstruktion muß das Verfahren, das man zur
Herstellung des Bauteils verwenden will, bekannt sein. Jedes Herstellungsverfahren
hat seine Eigen- und Besonderheiten, die bei der Konstruktion
berücksichtigt werden müssen. Die Seriengröße ist ein zusätzliches Auswahlkriterium.
Abhängig vom Herstellungsverfahren sind auch einige mechanische
Kennwerte, d.h. daß nicht mit jedem Verfahren jede gewünschte Bauteileigenschaft
erreicht werden kann.
Gestaltungsregeln, die man bei der Auslegung betrachten sollte, ergeben
sich aus den Richtlinien beim Umgang mit dem verwendeten Material und
ähneln denen bei der Konstruktion von reinen Kunststoffbauteilen.
Einige beachtenswerte Regeln lauten:
dimensionierung des Bauteils
Geringe Wandstärken anstreben
Masseanhäufungen vermeiden
Zulässige Radien für Fasern betrachten
Hinterschneidungen vermeiden
Entformungsschrägen vorsehen
Werkstoffgerechte Verbindungen vorsehen
Erreichbare mechanische Eigenschaften beachten
Fasergerecht konstruieren
Die Auslegung von Bauteilen erfolgt größtenteils durch die Berücksichtigung
von zulässigen Verformungen, Dehnungen bzw. Auslenkungen.
Bei der Auslegung von Composite-Bauteilen sollte sicherheitshalber so
dimensioniert werden, daß neben den geforderten maximalen Verformungen
die einzelnen Laminatschichten die zulässigen bzw. kritischen Dehnungen nicht
überschreiten, d.h. es wird gegen ein rißfreies Laminat dimensioniert.
Erste Mikroschädigungen (Crazings) in einzelnen Schichten des Laminates
führen zu weiterer Rißausbreitung und erlauben z.B. Medien in das Laminat
einzudringen und es zu schädigen. Dies führt zu einer kürzeren Lebensdauer
des Bauteils und ist somit unerwünscht. Das Bauteil wird bei Überschreitung
der kritischen Dehnung in einer Schicht nicht schlagartig versagen, jedoch
wird die Lebensdauer herabgesetzt.
Im Gegensatz dazu kann auch festigkeitsorientiert dimensioniert werden.
Dann richtet sich die Berechnung danach, ob das Bauteil bei maximaler
Beanspruchung versagt oder nicht. Das Versagen einzelner Schichten kann
dabei erlaubt sein, solange nicht das ganze Bauteil zerstört wird.
R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH • D-71111 Waldenbuch • Phone +49-(0)-180 55 78634* • Fax +49-(0)-180 55 02540-20* • www.r-g.de
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Loading conditions, restrictions, catalogue of requirements
Before any preliminary work on the design and structure, the actual
requirements must first be determined. As is often the case, the designer takes
a component of conventional materials as the basis and aims for a one-to-one
substitution, or the customer wants the same mechanical characteristics as
the former component. This approach does not promote optimal solutions.
Before the fibre composite component can be given the optimal design, the
actual loading conditions and restrictions must first be known. Creating a
catalogue of requirements can prove very helpful here.
design/manufacturing method
Before the actual design phase, the most suitable method for manufacturing
the component must first be determined. Every manufacturing method has its
attributes and salient features that the designer must take into consideration.
The size of the series is an additional selection criterion.
Furthermore, a number of mechanical characteristics also depend on the
manufacturing method, i.e. not all of the desired component properties can
be obtained with all methods.
The design rules that must be observed follow from the guidelines for
handling the used materials and are similar to those for the design of pure
plastic components.
Some of the more important rules:
dimensioning the component
Minimise wall thicknesses
Avoid concentrated masses
Note the permitted radii for fibres
Avoid undercuts
Provide drafts
Provide joins suitable for the materials used
Note the obtainable mechanical properties
Create a design suitable for the fibres
The component’s dimensions are based for the most part on considerations
to the permitted deformation, elongation, and deflection.
As a measure for ensuring the reliability of composite components, their
dimensions should be such that in addition to the specified maximum
deformations no one of the laminate plies can exceed the permitted or critical
elongation, i.e. the dimensions ensure a laminate free of cracks.
The undesirable alternative is that initial crazing can form in the laminate
plies, which promotes crack propagation and allows, for example, media to
penetrate and damage the laminate, shortening the component’s service life
in the process. This is also true when a ply exceeds the critical elongation,
although the component itself does not fail at once.
In contrast to the above, the dimensions can be based on the component’s
strength. In this case, the calculations are based on the component’s
tendency to fail or not under maximum loading. Single plies can be allowed
to fail, as long as the component itself does not break.
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