Faserverstärkter Werkstoff
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: reinforced material Kategorie: 
Level 3 Material
Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Faserverbundwerkstoff
Inhaltsverzeichnis |
Grundlagen
Ein faserverstärkter Werkstoff ist ein Verbund-Werkstoff, bei dem ein faserförmiges Material in einem Grundmaterial einbettet ist. Das Grundmaterial wird auch Matrix genannt (nicht zu verwechseln mit der Matrix im Sinne der Mathematik!).
Die Matrix besteht meistens aus einem Kunststoff (Duromer, Thermoplast,..).
Das eingebettete Material hat meistens eine lange schlanke Form, dann wird von Fasern gesprochen. Es können aber auch kurze, elliptische Plättchen oder andere Formen sein, die eingebettet werden.
Das Spektrum der faserverstärkten Werkstoffe reicht vom "einfachen", preisgünstigen und vielfach verwendeten Glasfaser-verstärkten Werkstoff bis hin zu speziell hergestellten, teuren und "exotischen" Kohlefaser- (carbon) oder Kevlar-verstärkten Werkstoff. Viele unterschiedliche Fertigungsverfahren werden angewendet.
Die Fasern des eingebetteten Materials können relativ kurz sein. Dann ist die Ausrichtung der Fasern oftmals zufällig oder ungesteuert. Es kann aber auch durch das Herstellungsverfahren (z.B. Spritzguss) und den Fluss des Materials bei der Formgebung eine Ausrichtung auftreten.
Die Fasern des eingebetteten Materials können aber auch sehr lang sein. Ein solcher Werkstoff wird meistens dadurch hergestellt, dass in das Grundmaterial die Fasern von einer Rolle herunter eingelegt (gewickelt) werden und nach dem Wickeln die Füllung oder Abdeckung mit dem Grundmaterial ergänzt wird. Dieses Herstellungsverfahren ist aufwändig und wird nur dann verwendet, wenn die Beanspruchungsrichtung genau vorher gesagt werden kann. Es gibt auch Gewebe-Einlagen, die in eine Form platziert werden und dann mit dem Matrix-Material durch einen Press- oder Guss-Prozess umschlossen werden.
Beispiele
Beispiele für den Einsatz von faserverstärkten Werkstoffen in der Technik sind
- Flugzeugteile, Flugzeugrümpfe (CFK, GfK),
- Flügel von Windkraftanlagen (GfK),
- Bremsscheiben für Hochleistungsanwendungen (kohlefaserverstärktes Siliziumkarbid),
- Formel1-Fahrzeugrümpfe (Kohlefaser, Carbon),
- schusssichere Westen,
- Druckbehälter im Fahrzeugbau, Anlagenbau, Landwirtschaft,
- Hochdruckschläuche,
- Spritzgussteile,
- Stahlbeton. Stahlfaserbeton.
Simulation
Die Materialdaten eines faserverstärkten Werkstoffes sind aus denjenigen des Fasermaterials und des Grundmaterials zu kombinieren. Üblicherweise ist das eingebettete Material fester bzw. steifer als das Grundmaterial. Geeignete Materialversuche sind neben einem Zugversuch auch Druck-, Schub- und 3-Punkt- oder 4-Punkt-Biegeversuche von Proben des fertiggestellten Verbund-Werkstoffes.
In der Simulation kann ein faserverstärkter Werkstoff durch ein Material mit richtungsabhängigen Materialeigenschaften modelliert werden. Dabei wird auf die Abbildung der einzelnen Fasern verzichtet und nur zwischen den Eigenschaften in Richtung der Fasern und in den beiden Richtungen quer dazu unterschieden.
Bei genaueren Simulationen können Elementtypen verwendet werden, bei denen die Anteile des Fasermaterials und des Grundmaterials gesondert berücksichtigt werden.
In der Strukturmechanik ist die Grenze der Tragfähigkeit für einen faserverstärkten Werkstoff oftmals nicht nur bestimmt durch die Grenzwerte der Fasern oder des Grundmaterials, sondern auch durch die Verbindung der Fasern mit dem Grundmaterial. Hierfür sind besondere Grenzwerte und Kriterien wie
- das Tsai-Kriterium,
- das Puck-Kriterium
und andere üblich.
Sonstige Begriffe
Über Werkstoffe finden Sie auch Materialdaten, Anisotropie, Composite, faserverstärkter Werkstoff, geschichteter Werkstoff
