Faserverbundbauweisen

Landläufig versteht man unter der Verstärkung eines Systems die Verbesserung (Steigerung) von Festigkeit und E-Modul durch die Einbettung von Verstärkungsfasern in eine Matrix. Diese ergibt sich grob gesehen dann, wenn der Elastizitätsmodul der Verstärkungsfaser wesentlich größer ist als der der Matrix. Mit Faserverbundwerkstoffen dieser Art läßt sich aufgrund hoher spezifischer Festigkeiten und Moduli (Kennwerte bezogen auf die Dichte) gegenüber metallischen Werkstoffen sehr viel Gewicht einsparen. In Abb. 2.1 sind die spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten von metallischen und nichtmetallischen Leichtbaustrukturwerkstoffen gegenübergestellt [2.1]. Diese Auftragsform verdeutlicht, welche mechanische Werkstoffleistung mit welchem eingebrachten Gewicht zu erzielen ist — die typische Frage eines Leichtbauers. In der Abbildung stellt man fest, daß alle metallischen Werkstoffe nahezu gleiche Ausgangsverhältnisse aufweisen. Derjenige Werkstoff, welcher zusätzlich noch die geringere absolute Dichte besitzt, wird bei der Verwendung in Strukturkomponenten über ein günstigeres Leichtbaupotential verfügen.

Es ist sehr wichtig, zwischen Fertigungsverfahren und Verfahrensprozessen zu unterscheiden, obwohl sich diese Begriffe in der Praxis oft überschneiden. Bei der Herstellung von Einzelteilen spricht man von Fertigungstechniken oder -verfahren. Zur Herstellung von komplexen, aus Einzelteilen aufgebauten Strukturen sind Verfahrensprozesse erforderlich. Darunter versteht man eine sinnvolle Prozeßkette, die nach Abb. 3.1 alle Tätigkeiten bis zum Endprodukt beinhaltet.

Abgesehen vom Roving, also dem endlosen Faserstrang, sind die heute gängigen Halbzeuge für die Fasertechnik von flächiger Art. In jüngster Zeit kommen allerdings vermehrt dreidimensionale Faserhalbzeuge auf den Markt, die in naher Zukunft eine erhebliche Ausweitung der Faserverbundwerkstoffe versprechen. Diese neuartigen textilen Halbzeuge werden in diesem Abschnitt entsprechend berücksichtigt. Nach [1.1] besteht ein grundsätzliches Merkmal der Faserverbundwerkstoffe darin, daß die zu fertigenden Bauteile — von einigen Beispielen abgesehen — immer schichtweise aufgebaut sind, und nicht, wie bei metallischen Fertigungsverfahren üblich, durch Abtragen hergestellt werden. Ein weiterer gravierender Unterschied zu den metallischen Werkstoffen besteht, abgesehen von Metallgußteilen, darin, daß bei der Verarbeitung der Werkstoff und das Bauteil gleichzeitig entstehen. Diese Tatsache bietet eine große Vielfalt an Fertigungstechnologien zur Herstellung von industriell gefertigten Halbzeugen und Zwischenprodukten sowie deren Weiterverarbeitung zum Endprodukt. Die wichtigsten flächigen Halbzeuge sind Gewebe, Gelege, Geflechte, Gestricke und Matten. Die schematische Darstellung der Prozesse zur Herstellung von Geweben, Gestricken und Geflechten zeigt Abb. 4.1 .

Das im Flugzeugbau und in der Raumfahrtanwendung wichtigste Halbzeug ist nach wie vor das Prepreg. Darunter versteht man — abgeleitet von preimpregnated — ebene flächige Fasergebilde, die in einem kontinuierlichen Prozeß mit einem Matrixsystem im gewünschten Harz/Faserverhältnis imprägniert sind.

Unter Bauweisen versteht man die Gestaltung eines Bauteils, einer Baugruppe oder gar einer kompletten Struktur. Der Begriff „Bauweisen“ umfaßt also ganz allgemein das optimierte Zusammenwirken aller erforderlichen Fachdisziplinen wie: Werkstoffe, Werkstoffverbunde Vorentwicklung Konstruktion, Berechnung und Auslegung Fertigungsverfahren Umweltaspekte natürlich unter Kosten/Nutzenaspekten betrachtet [1.1, 2.7, 2.9, 6.2].