Inhaltsverzeichnis | 8 |
Vorwort | 18 |
Abkürzungsverzeichnis | 20 |
1 Einführung | 24 |
1.1?Stand der Technik | 24 |
1.2?Technisch-wirtschaftliche Entwicklung | 26 |
1.2.1?Einleitung | 26 |
1.2.2?Der industrielle Einsatz | 27 |
1.2.2.1?Luft- und Raumfahrt, Wehrtechnik | 28 |
1.2.2.2?Migration in andere Branchen | 30 |
1.2.2.3?Entwicklung des FKV-Marktes | 34 |
1.2.3?Technisch-wirtschaftliche Entwicklung der Kohlenstofffasern | 37 |
1.2.3.1?Status und Trends | 37 |
1.2.3.2?Marktentwicklung | 39 |
1.2.3.3?Mengenentwicklung | 40 |
1.2.4?Ökonomische Bewertung der FKV-Verarbeitungstechnologien | 42 |
1.2.4.1?Grundlagen | 43 |
1.2.4.2?Bisherige Ansätze | 44 |
1.2.4.3?Erweiterte Ansätze | 46 |
1.2.5?Zusammenfassung | 50 |
2 Werkstoffe | 54 |
2.1?Fasern | 54 |
2.1.1?Eigenschaften | 54 |
2.1.2?Herstellung und Anwendung der Fasern | 57 |
2.1.2.1?Glasfasern (GF) | 57 |
2.1.2.2?Kohlenstofffasern (CF) | 59 |
2.1.2.3?Aramidfasern | 61 |
2.1.2.4?Polyethylenfasern | 62 |
2.1.2.5?Naturfasern | 62 |
2.1.2.6?Stahlfasern, Metallfasern | 64 |
2.2?Matrixsysteme | 65 |
2.2.1?Eigenschaften | 65 |
2.2.2?Duroplaste | 66 |
2.2.2.1?Herstellung und Anwendung | 66 |
2.2.2.2?Polymerisations-Duroplaste | 70 |
2.2.2.3?Polyadditions-Duroplaste | 73 |
2.2.2.4?Polykondensations-Duroplaste | 76 |
2.2.2.5?Biobasierte Duroplaste | 77 |
2.2.3?Thermoplaste | 79 |
2.2.3.1?Herstellung und Anwendung | 79 |
2.2.3.2?Polymerisations-Thermoplaste | 81 |
2.2.3.3?Polyadditions-Thermoplaste | 82 |
2.2.3.4?Polykondensations-Thermoplaste | 83 |
2.2.4?Biobasierte Thermoplaste | 88 |
2.3?Grenzfläche und Grenzphase | 90 |
2.3.1?Allgemeines | 90 |
2.3.2?Charakterisierung der Grenzschicht | 91 |
2.3.2.1?Duroplaste | 91 |
2.3.2.2?Thermoplaste | 92 |
3 Textile Halbzeuge | 96 |
3.1?Halbzeugformen | 96 |
3.1.1?Matten (Non-wovens) | 97 |
3.1.1.1?Aerodynamische Vlieslegung | 98 |
3.1.1.2?Nadelvliese | 98 |
3.1.1.3?Chemisch fixierte Matten (Gebondete Vliese) | 99 |
3.1.2?Gewebe | 100 |
3.1.2.1?2D-Gewebe | 100 |
3.1.2.2?3D-Gewebe | 102 |
3.1.2.3?Abstands-Textilien | 104 |
3.1.2.4?Spiralgewebe | 105 |
3.1.3?Gelege | 106 |
3.1.4?Flechten | 108 |
3.1.5?Maschenware | 112 |
3.1.5.1?Rundstricken | 113 |
3.1.6?Technische Gesticke | 113 |
3.1.7?Biaxialgewirke | 115 |
4 Preformverfahren | 118 |
4.1?Einleitung | 118 |
4.2?Grundlagen | 120 |
4.3?Direkte Preformherstellung | 123 |
4.3.1?Standardverfahren | 123 |
4.3.2?Direkte textiltechnische Preformverfahren | 124 |
4.4?Sequentielle Preformherstellung | 127 |
4.4.1?Binder-Umformtechnik | 127 |
4.4.2?Textile Konfektionstechnik | 128 |
4.4.2.1?Nähtechnik | 128 |
4.4.2.2?Stichtypen für die Preform-Montage | 132 |
4.4.2.3?Alternative Preform-Fügetechniken | 147 |
4.4.3?Kontinuierliches Preforming | 152 |
5 Imprägnierte Halbzeuge | 158 |
5.1?Einleitung | 158 |
5.2?Duroplastprepregs | 159 |
5.2.1?Nicht-fließfähige Duroplastprepregs | 159 |
5.2.2?Fließfähige Duroplastprepregs | 161 |
5.3?Thermoplastische Prepregs und Halbzeuge | 170 |
5.3.1?Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT) | 170 |
5.3.2?Langglasfaserverstärkte Thermoplaste in Granulatform (LFT) | 175 |
5.3.2.1?Pressrheometer zur prozessintegrierten Analyse | 180 |
5.3.2.2?Rheometer für faserverstärkte Pressmassen | 182 |
5.3.2.3?Strömungsprofil beim Pressvorgang | 184 |
5.3.2.4?Rheometerkonzept | 186 |
5.3.2.5?Ergebnisse | 190 |
5.3.2.6?Fehlerabschätzung | 193 |
5.3.3?Endlosfaserverstärkte Thermoplaste | 194 |
5.3.3.1?Prozesskette zur Halbzeugherstellung | 194 |
5.3.3.2?Prepregtechnologie | 198 |
5.3.3.3?Unidirektionale Halbzeuge (UD-Tapes) | 206 |
5.3.3.4?Multidirektionale, flächige Halbzeuge | 209 |
5.3.4?Polymerfaserverstärkte Verbundwerkstoffe | 216 |
6 Grundlagen der Verarbeitungsprozesse | 224 |
6.1?Einordnung der Verarbeitungsprozesse | 224 |
6.2?Allgemeine Grundlagen | 228 |
6.3?Grundlagen der Imprägnierung | 232 |
6.3.1?Physikalische Grundlagen der Imprägnierung und Konsolidierung | 232 |
6.3.2?Energietransfer | 235 |
6.3.2.1?Konduktion | 236 |
6.3.2.2?Konvektion | 237 |
6.3.2.3?Strahlung | 237 |
6.3.2.4?Modellierung des Wärmetransfers | 239 |
6.3.3?Einfluss der Rheologie auf die Verarbeitung | 241 |
6.3.3.1?Duroplaste | 244 |
Thermoplaste | 248 |
6.3.4?Grundlagen der Fließprozesse | 250 |
6.3.4.1?Eindimensionales Fließen (1D) | 251 |
6.3.4.2?Zweidimensionales Fließen (2D) | 252 |
6.3.4.3?Dreidimensionales Fließen (3D) | 254 |
6.3.5?Permeabilitätsmessung | 255 |
6.3.5.1?Eindimensionale Permeabilitätsmessung (1D) | 256 |
6.3.5.2?Zweidimensionale Permeabilitätsmessung (2D) | 257 |
6.3.5.3?Dreidimensionales Permeabilitätsmessverfahren (3D) | 260 |
6.3.5.4?Einflussgrößen auf die Permeabilität | 262 |
6.4?Prozessketten | 264 |
6.5?Qualitätsmanagement | 266 |
6.5.1?Qualitätskontrolle | 266 |
6.5.2?Sensorik zur Prozessüberwachung | 267 |
6.5.3?Prozessregelung | 268 |
6.6?Grundlagen der Simulation | 270 |
6.6.1?Simulation der Fließpressverfahren | 270 |
6.6.2?Simulation des Thermoformens von Organoblechen | 272 |
6.6.3?Simulation der Harzinjektionsverfahren | 275 |
6.6.4?Weitere Simulationsprogramme | 280 |
7 Bauweisen und Smart Structures | 300 |
7.1?Bauweisen | 300 |
7.1.1?Einleitung | 300 |
7.1.2?Bauweisenklassifizierung | 301 |
7.1.2.1?Differential- und Integralbauweise | 301 |
7.1.2.2?Integrierende Bauweise | 302 |
7.1.2.3?Verbundbauweise | 302 |
7.1.2.4?Sandwichbauweise | 304 |
7.1.3?Leichtbau | 304 |
7.1.4?Besonderheiten der FKV-Bauweisenentwicklung | 306 |
7.1.4.1?Inhomogenität und Richtungsabhängigkeit | 306 |
7.1.4.2?Umwelteinfluss | 309 |
7.1.4.3?Werkstoffkonstruktion | 310 |
7.1.4.4?Halbzeugvielfalt | 311 |
7.1.5?Wechselwirkung zwischen Bauweise und Fertigungsprozess | 311 |
7.1.6?Krafteinleitung und Verbindungstechnik | 312 |
7.1.6.1?Mechanisches Fügen | 312 |
7.1.6.2?Stoffliches Fügen | 314 |
7.1.6.3?Weitere Fügeverfahren | 317 |
7.1.7?Auslegung und Simulation | 318 |
7.1.8?Beispiele für FKV-Bauweisen und Anwendungen | 320 |
7.2?Smart Structures | 323 |
7.2.1?Einleitung | 323 |
7.2.2?Multifunktionale Werkstoffe | 325 |
7.2.3?Integrationskonzepte | 326 |
7.2.4?Multifunktionale Strukturen und Systeme | 327 |
8 Autoklaventechnik | 330 |
8.1?Einleitung | 330 |
8.2?Anlagentechnik | 330 |
8.3?Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen | 332 |
8.4?Zykluskosten, Prozessparameter und Verbrauchsmaterialien | 334 |
8.5?Qualitätssicherung | 336 |
8.6?Weitere Entwicklung | 339 |
9 Pultrusionsverfahren | 340 |
9.1?Einleitung | 340 |
9.2?Grundlagen | 341 |
9.3?Duroplast-Pultrusion | 342 |
9.4?Thermoplast-Pultrusion | 344 |
9.5?Verfahrenskombination | 345 |
10 Wickel- und Legetechnik | 348 |
10.1?Wickeltechnik | 348 |
10.1.1?Einleitung | 348 |
10.1.2?Verfahrensgrundlagen | 349 |
10.1.3?Anlagentechnische Umsetzung | 352 |
10.1.3.1?Duroplastwickeln | 354 |
10.1.3.2?Thermoplastwickeln | 357 |
10.1.4?Weitere Entwicklung | 364 |
10.2?Tapelegetechnik | 365 |
10.2.1?Einleitung | 365 |
10.2.2?Duroplast-Tapelegen | 367 |
10.2.2.1?Duroplast-Kontur-Tapelegen | 370 |
10.2.2.2?Duroplast-Multi-Tapelegen | 372 |
10.2.3?Thermoplast-Tapelegen | 373 |
10.2.4?Abgrenzung der Legeverfahren | 375 |
11 Harzinjektionsverfahren | 380 |
11.1?Einleitung | 380 |
11.2?Anwendungsfelder | 381 |
11.3?Harzinjektions-Verfahrensvarianten | 387 |
11.3.1?Vakuuminjektionsverfahren (VI) | 388 |
11.3.2?Resin Transfer Molding (RTM) | 389 |
11.3.3?Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) | 391 |
11.3.4?Weitere Verfahrensvarianten | 392 |
11.3.4.1?Flächeninjektionsverfahren | 393 |
11.3.4.2?Advanced RTM (ARTM) | 395 |
11.3.4.3?Thermal Expansion RTM (TERTM) | 396 |
11.3.4.4?Differential Pressure RTM (DPRTM) | 396 |
11.3.4.5?Schlauchblas-RTM | 397 |
11.3.4.6?Structural Reaction Injection Molding (SRIM) | 398 |
11.3.4.7?Spaltimprägnierverfahren | 399 |
11.3.4.8?Same Qualified – Resin Transfer Molding (SQ-RTM) | 399 |
11.3.4.9?Nasspressen | 400 |
11.4?Zusammenfassung | 400 |
12 Pressverfahren | 406 |
12.1?Einleitung | 406 |
12.2?Fließpressverfahren | 407 |
12.2.1?Fließpressen von LFT und GMT | 407 |
12.2.2?Fließpressen von Sheet Molding Compound (SMC) | 410 |
12.2.3?Vergleich der Matrixsysteme im Fließpressprozess | 414 |
12.3?Thermoformen von Organoblechen | 416 |
12.3.1?Einleitung | 416 |
12.3.2?Umformprinzipien | 417 |
12.3.3?Umformverfahren allgemein | 418 |
12.3.3.1?Diaphragmaformen | 420 |
12.3.3.2?Umformen mit Metallstempel | 421 |
12.3.3.3?Umformen mit Elastomerblock | 422 |
12.3.3.4?Umformen mit Silikonstempel | 423 |
12.3.3.5?Quicktemp-Konzept | 424 |
12.3.3.6?Direktimprägnieren | 425 |
12.3.3.7?Direktformen | 428 |
12.3.3.8?Druckunterstütztes Thermoformen | 429 |
12.3.3.9?Zusammenfassende Darstellung der Thermoformverfahren | 430 |
12.3.4?Dickenadaptives Umformen | 431 |
12.3.4.1?Sandwich-Umformen | 431 |
12.3.4.2?Wege zu Sandwichbauteilen aus Organoblechen | 432 |
12.3.4.3?Sandwich-Umformen in mehreren Schritten | 432 |
12.3.4.4?Sandwich-Umformen in einem Schritt | 433 |
12.3.4.5?Tailored-Blank-Technologie | 435 |
12.4?Rollformen von Faser-Kunststoff-Verbunden | 438 |
12.4.1?Einleitung | 438 |
12.4.1.1?Grundlagen des Rollformens | 439 |
12.4.1.2?Rollformen von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden | 441 |
12.4.1.3?Rollformen von duroplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden | 442 |
12.4.1.4?Weitere Entwicklung und Potentiale | 442 |
12.5? Verfahrenskombinationen mit Thermoformen (Hybridverfahren) | 443 |
12.5.1?Thermoformen und Spritzguss | 443 |
12.5.2?Thermoformen und Tapelegen | 445 |
12.6?Direktverfahren | 446 |
12.6.1?Direktverfahren zur Herstellung von SMC | 447 |
12.6.2?Direktverfahren zur Herstellung von LFT | 449 |
13 Bearbeitung, Oberflächenbehandlung | 456 |
13.1?Einleitung | 456 |
13.2?Bearbeitung | 456 |
13.2.1?Grundlagen | 456 |
13.2.2?Bohren | 458 |
13.2.3?Sägen | 459 |
13.2.4?Fräsen | 460 |
13.2.5?Wasserstrahlschneiden | 462 |
13.2.6?Laserstrahlschneiden | 464 |
13.3?Oberflächencharakterisierung und -behandlung | 465 |
13.3.1?Einleitung | 465 |
13.3.2?Messgrößen | 466 |
13.3.2.1?Topographie | 467 |
13.3.3?Lackierung | 471 |
13.3.4?Beschichtungen | 473 |
14 Materialkreisläufe | 478 |
14.1?Einleitung | 478 |
14.2?Produktion, Materialkreisläufe und Nachhaltigkeit | 479 |
14.3?Umwelt, Ökologie und Ökonomie | 481 |
14.4?Gesetzliche Grundlagen | 481 |
14.4.1?Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) | 482 |
14.4.2?Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) | 482 |
14.4.3?Altfahrzeug-Verordnung (AltfahrzeugV) | 483 |
14.5?Abfallhierarchie | 483 |
14.6?Verwertungsmöglichkeiten | 484 |
14.6.1?Werkstoffgruppe versus Werkstoff | 485 |
14.6.2?Abfallvermeidung | 485 |
14.6.3?Energetische Nutzung | 486 |
14.6.4?Pyrolyse | 487 |
14.6.5?Stoffliche Verwertung/Recycling | 488 |
14.6.6?Verwendung in der Zementindustrie | 488 |
14.7?Fazit | 489 |
15 Fügeverfahren | 492 |
15.1?Einleitung | 492 |
15.2?Fügen von duroplastischen FKV | 493 |
15.2.1?Nieten von duroplastischen FKV | 493 |
15.2.2?Kleben von duroplastischen FKV | 494 |
15.2.2.1?Vorbereitung der Oberflächen | 494 |
15.2.2.2?Optimale Verarbeitung und Anwendung des Klebstoffs | 496 |
15.2.2.3?Verkleben von Composites | 496 |
15.2.3?Z-Pinning von duroplastischen FKV | 498 |
15.3?Fügen von thermoplastischen FKV | 498 |
15.3.1?Nieten von thermoplastischen FKV | 498 |
15.3.2?Kleben von thermoplastischen FKV | 499 |
15.3.3?Schweißen von thermoplastischen FKV | 500 |
15.3.3.1?Ultraschallschweißen | 501 |
15.3.3.2?Vibrationsschweißen | 502 |
15.3.3.3?Heizelementschweißen | 502 |
15.3.3.4?Hochfrequenzschweißen | 503 |
15.3.3.5?Widerstandsschweißen | 503 |
15.3.3.6?Induktionsschweißen | 503 |
15.3.3.7?Laserschweißen | 504 |
15.3.3.8?Vergleich der Schweißverfahren | 505 |
15.4?Physikalische Grundlagen | 508 |
15.5?Prüfmethoden-Auswahl | 510 |
15.5.1?Geeignete Prüfmethoden für geschweißte Verbindungen | 510 |
15.5.2?Zugscherversuch | 510 |
15.5.3?Spannungsverteilung in der einfach überlappten Verbindung | 511 |
15.5.4?Gestaltungskonzepte für überlappte Verbindungen | 513 |
15.6?Beschreibung ausgewählter Verfahren | 514 |
15.6.1?Vibrationsschweißen | 514 |
15.6.1.1?Einfluss des Fügewegs | 516 |
15.6.1.2?Einfluss des Schweißdrucks | 516 |
15.6.1.3?Einfluss des variablen Schweißdrucks | 517 |
15.6.2?Induktionsschweißen | 518 |
15.6.2.1?Induktor- und Feldgeometrie | 519 |
15.6.2.2?Prozessführung beim kontinuierlichen Schweißprozess | 520 |
15.6.3?Verfahrensvergleich Vibrations-/Induktionsschweißen | 522 |
16 Arbeitssicherheit | 528 |
16.1?Einleitung | 528 |
16.2?Grundlagen | 529 |
16.3?Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG) | 530 |
16.4?Arbeitssicherheitsgesetz (ASiG) | 531 |
16.5?Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) | 531 |
16.6?Arbeitsstättenverordnung (ArbStättV) | 532 |
16.7?Unfallverhütungsvorschriften | 533 |
16.8?Detailbeschreibung verbundwerkstofftypischer Problemfelder | 534 |
16.8.1?Allgemeine Arbeitsschutzmaßnahmen | 534 |
16.8.2?Spezielle Gefahren beim Umgang mit Reaktionsharzen | 535 |
16.8.3?Styrolemissionen und Möglichkeiten der Reduzierung | 537 |
16.8.4?Sonstige Verfahren | 539 |
16.8.5?Umgang mit textilen Glasfasern | 539 |
16.8.6?Umgang mit textilen Kohlenstofffasern | 540 |
16.8.7?Umgang mit Partikeln | 540 |
16.9?Anlagensicherheit | 541 |
17 Werkzeugbau | 544 |
17.1?Einleitung | 544 |
17.2?Fließpressverfahren | 544 |
17.2.1?Komponenten zum Werkzeugbau | 546 |
17.2.1.1?Führungs- und Zentrierelemente | 546 |
17.2.1.2?Schieber | 546 |
17.2.1.3?Auswerfer | 546 |
17.2.1.4?Werkzeugheizung und -kühlung | 547 |
17.2.1.5?Konstruktion und Maßgenauigkeit | 548 |
17.2.2?Werkzeugstähle für den Formenbau | 548 |
17.2.3?Oberflächenstrukturierung | 549 |
17.3?Spritzgießen | 549 |
17.4?Wickeltechnik | 550 |
17.5?Pultrusionsverfahren | 550 |
17.6?Harzinjektionsverfahren | 551 |
17.7?Spezielle Werkzeugkonzepte | 554 |
17.7.1?Prototypen- und Aluminium-Formwerkzeuge | 554 |
17.7.2?Formenbau mit FKV | 555 |
17.7.3?Formen für großflächige Teile | 556 |
17.7.4?Schlauchblas-Werkzeuge | 557 |
17.7.5?Variotherme Werkzeuge | 558 |
Weiterführende Literatur | 562 |
Die Autoren | 564 |
Herausgeber | 564 |
Mitverfasser | 565 |
Index | 568 |