Vorwort zur vierten Auflage | 6 |
Inhalt | 8 |
Zur Geschichte der Polymerwerkstoffe | 18 |
1 Marktüberblick | 20 |
1.1 Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Branchen | 23 |
1.1.1 Luft- und Raumfahrt | 23 |
1.1.2 Feinwerktechnik | 26 |
1.1.3 Fahrzeugbau | 29 |
1.1.4 Allgemeiner Maschinenbau | 34 |
1.1.5 Apparatebau | 35 |
1.1.6 Bauwesen | 38 |
1.2 Prognose | 42 |
Literatur | 50 |
2 Struktur und Eigenschaften | 52 |
2.1 Chemische Struktur (Konstitution) | 52 |
2.1.1 Polymerisationsgrad – relative Molekülmasse | 55 |
2.1.2 Homopolymerisation – Copolymerisation | 59 |
2.2 Zwischenmolekulare Bindungsenergien(Nebenvalenzbindungen) | 60 |
2.2.1 Wasseraufnahme bei Polyamiden | 62 |
2.3 Räumliche Anordnung von Atomen und Atomgruppenim Molekül (Konfiguration) | 68 |
2.3.1 Taktizität | 68 |
2.3.2 Verzweigung | 69 |
2.3.3 Vernetzung | 70 |
2.4 Aufbau von Polymersystemen | 71 |
2.4.1 Homogene und heterogene Polymermischungen | 71 |
2.4.2 Äußere Weichmachung | 72 |
2.4.3 Füllung – Verstärkung | 72 |
2.5 Morphologie (übermolekulare Strukturen) | 75 |
2.5.1 Amorpher Gefügezustand | 75 |
2.5.2 Kristalliner Gefügezustand | 76 |
2.5.3 Anisotropie | 81 |
2.5.3.1 Molekülorientierungen | 81 |
2.5.3.2 Füllstofforientierungen | 83 |
2.6 Thermisch-mechanische Zustandsbereiche | 85 |
2.6.1 Thermoplaste mit amorpher Gefügestruktur | 86 |
2.6.2 Thermoplaste mit teilkristalliner Gefügestruktur | 87 |
2.6.3 Elastomere | 87 |
2.6.4 Duroplaste | 88 |
Literatur | 89 |
3 Kurzcharakterisierung wichtigerPolymerwerkstoffe für konstruktiveAnwendungen | 90 |
3.1 Thermoplaste | 90 |
3.1.1 Polymerblends | 103 |
3.1.2 Funktionspolymere | 106 |
3.2 Elastomere | 113 |
3.3 Duromere | 116 |
3.4 Verstärkungsfasern | 120 |
3.4.1 Glasfasern | 121 |
3.4.1.1 Herstellung und Verstärkungsformen von Textilglas | 121 |
3.4.1.2 Glasarten und Fasereigenschaften | 122 |
3.4.2 Kohlenstoff-Fasern | 122 |
3.4.3 Aramidfasern | 123 |
3.4.4 Metallfasern, Whisker, keramische Fasern | 123 |
Literatur | 124 |
4 Eigenschaften – Werkstoffkennwerte –spezielle Prüfverfahren undVerhaltensweisen | 126 |
4.1 Verformungsverhalten unter uniaxialer, zügigerZugbeanspruchung (Spannungs-Dehnungs-Versuch) | 126 |
4.1.1 Molekulare Verformungs- und Schädigungsmechanismen | 126 |
4.1.2 Charakteristische Spannungs-Dehnungs-Kurven | 128 |
4.1.3 Ermittlung von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen undWerkstoffkenndaten | 129 |
4.1.4 Einfluss von Temperatur, Zeit und Feuchteauf Spannungs-Dehnungs-Kurven | 133 |
4.1.5 Mathematische Beschreibung von Spannungs-Dehnungs-Kurven | 137 |
4.2 Verformungsverhalten unter uniaxialer, langzeitiger,statischer Zugbeanspruchung (Zeitstand-Zug-Versuch) | 137 |
4.2.1 Mathematische Beschreibung von Kriechkurven | 139 |
4.3 Zähigkeit und Schlagzähigkeit | 142 |
4.3.1 Zähigkeit aus dem Zugversuch | 142 |
4.3.2 Zähigkeit aus dem Schlagbiegeversuch | 142 |
4.3.3 Durchstoßversuch | 145 |
4.4 Verhalten unter schwingender Beanspruchung | 146 |
4.4.1 Ermittlung charakteristischer Ermüdungskennwerte | 148 |
4.5 Querkontraktionszahl | 151 |
4.6 Thermische Eigenschaften | 154 |
4.6.1 Wärmedehnung | 154 |
4.6.2 Formbeständigkeit | 155 |
4.6.2.1 Elastizitätsmodul, Schubmodul als Funktion der Temperatur | 155 |
4.6.2.2 Wärmeformbeständigkeitstemperatur | 156 |
4.6.2.3 Erweichungstemperatur | 156 |
4.6.3 Thermische Alterung | 156 |
4.6.3.1 Sicherheitstechnische Aspekte | 161 |
4.6.4 Zusammenfassende Bewertung des Temperatureinflusses | 162 |
4.7 Reibungs- und Verschleißverhalten | 163 |
4.7.1 Grundlagen | 164 |
4.7.1.1 Adhäsion und Oberflächenenergie von Festkörpern | 166 |
4.7.1.2 Deformationen und Hysteresisverluste | 171 |
4.7.1.3 Rahmenbedingungen für adhäsiv und deformativ bedingtes Gleiten | 172 |
4.7.2 Reibung und Verschleiß bei Polymerwerkstoff/Stahl-Paarungen | 173 |
4.7.2.1 Einfluss der Oberflächenrauheit des Stahlpartners | 175 |
4.7.2.2 Einfluss der relativen Molekülmasse | 177 |
4.7.2.3 Einfluss des Feuchtegehalts im Polyamid | 178 |
4.7.2.4 Einfluss energiereicher Bestrahlung | 180 |
4.7.2.5 Einfluss der Bewegungsform und des Bewegungsablaufes | 182 |
4.7.3 Reibung und Verschleiß bei Polymerwerkstoff/Polymerwerkstoff-Paarungen | 183 |
4.7.3.1 Gleitreibung | 183 |
4.7.3.2 Gleitverschleiß | 186 |
4.7.4 Zusammenfassung der Einflüsse von Werkstoffeigenschaftenauf Systemeigenschaften | 186 |
4.7.5 Einfluss von Füll- und Verstärkungsstoffen | 186 |
4.7.5.1 Einfluss von Fasern auf den Verschleiß | 186 |
4.7.5.2 Einfluss von anderen, anorganischen Zusätzen | 189 |
4.7.5.3 Einfluss von polymeren Zusätzen | 191 |
4.7.5.4 Einfluss von polymeren und härteerhöhenden Zusätzen | 192 |
4.7.5.5 Einfluss von Zusätzen auf amorphe Thermoplaste | 194 |
4.7.6 Stick-Slip (Ruckgleiten) | 194 |
4.7.6.1 Beeinflussung des Stick-Slip-Verhaltens durch Parameterdes Gleitsystems | 196 |
4.7.7 Strahlverschleiß | 198 |
Literatur | 201 |
5 Berechnen von mechanisch beanspruchtenStrukturen an Beispielen geometrischeinfacher Bauteile und statisch bestimmterLastfälle | 204 |
5.1 Werkstoff- und verarbeitungsspezifische Probleme | 204 |
5.1.1 Verformungsverhalten unter uniaxialer, zügigerZugbeanspruchung | 204 |
5.2 Festigkeitsnachweis | 206 |
5.2.1 Grundsätzliches Vorgehen bei einer Festigkeitsbetrachtung | 206 |
5.2.1.1 Dimensionierungskennwerte | 207 |
5.2.1.2 Sicherheitsbeiwerte | 209 |
5.2.1.3 Abminderungsfaktoren | 209 |
5.2.2 Einachsiger Spannungszustand | 210 |
5.2.2.1 Beispiel des dünnwandigen Rohres unter Innendruck | 211 |
5.2.3 Mehrachsiger Spannungszustand | 212 |
5.2.3.1 Versagenskriterien | 213 |
5.2.3.2 Beispiele zum Belastungsfall der Scherung | 215 |
5.3 Berechnung von Dehnungen und Verformungen | 218 |
5.3.1 Linear-elastisches Materialverhalten | 218 |
5.3.2 Nichtlinear-elastisches Materialverhalten | 219 |
5.4 Spannungs- und Verformungsanalysen vonbiegebeanspruchten Strukturen mit Hilfe einereinfachen FE-Betrachtung | 224 |
5.5 Berechnung stoßartig beanspruchter Bauteile | 226 |
5.6 Zur Berechnung von Faserverbund-Strukturen | 227 |
5.6.1 Mechanische Eigenschaften von Laminaten | 228 |
5.6.1.1 Verformungsverhalten unter uniaxaler Zugbeanspruchung,Schädigungsgrenze | 228 |
5.6.1.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht | 228 |
5.6.1.3 Gemittelte Kennwerte von Mattenlaminaten | 230 |
5.6.2 Berechnungsverfahren | 232 |
5.6.2.1 Berechnung mit gemittelten Kennwerten | 232 |
5.6.2.2 Kontinuumstheorie | 233 |
5.6.2.3 Netztheorie | 233 |
5.7 Rechnergestützte Entwicklung | 233 |
5.7.1 CAD – Computer Aided Design | 233 |
5.7.2 Rapid Prototyping | 236 |
5.7.3 Rapid Tooling | 237 |
Literatur | 238 |
6 Werkstoff- und beanspruchungsgerechteKonstruktion | 240 |
6.1 Weiche Konstruktionen | 240 |
6.1.1 Elastizitätsmodul | 240 |
6.1.2 Flächenträgheitsmoment | 241 |
6.1.3 Beanspruchungsart | 242 |
6.2 Biegesteife Konstruktionen | 244 |
6.3 Biegeweiche-torsionssteife Konstruktionen | 246 |
6.4 Biegesteife-torsionsweiche Konstruktionen | 247 |
6.5 Torsionsfeste, torsionssteife Konstruktionen | 248 |
6.6 Biegesteife und torsionssteife Konstruktionen | 250 |
6.7 Torsionsweiche Konstruktionen | 251 |
6.8 Zugfeste-, zugsteife-torsionsweiche Konstruktionen | 252 |
6.9 Schubfeste, schubsteife Konstruktionen | 252 |
6.10 Drucknachgiebige und drucksteife Konstruktionen | 253 |
6.11 Multifunktionale Konstruktionen | 255 |
6.12 Wärmedehnungen und Wärmespannungen | 257 |
6.13 Gelenkverbindungen | 261 |
6.14 Kunststoff/Metall-Hybridkonstruktionen | 264 |
Literatur | 267 |
7 Fertigungsgerechte Konstruktion | 268 |
7.1 Formfüllung | 268 |
7.1.1 Simulation des Füllvorgangs | 270 |
7.1.2 Ursachen zur Entstehung von Orientierungen | 272 |
7.1.2.1 Auswirkungen von Orientierungen | 276 |
7.1.2.2 Beeinflussung von Orientierungen | 277 |
7.1.3 Ursachen zur Entstehung von Bindenähten und Lufteinschlüssen | 281 |
7.1.3.1 Auswirkungen von Bindenähten und Lufteinschlüssen | 282 |
7.1.3.2 Beeinflussung von Bindenähten und Lufteinschlüsse | 284 |
7.2 Abkühlung und Erstarrung | 290 |
7.2.1 Abkühlgeschwindigkeit | 290 |
7.2.1.1 Auswirkungen der Abkühlgeschwindigkeit | 290 |
7.2.1.2 Beeinflussung der Kühlgeschwindigkeit | 291 |
7.2.2 Maßänderungen und Toleranzen | 294 |
7.2.2.1 Schwindung | 294 |
7.2.2.2 Nachschwindung | 296 |
7.2.2.3 Toleranzen* | 296 |
7.2.3 Verzug | 301 |
7.2.3.1 Ursachen für Verzug | 301 |
7.2.3.2 Beeinflussung von Verzug | 303 |
7.3 Entformung | 306 |
7.3.1 Entformungsschräge | 309 |
7.3.2 Entformung von Hinterschneidungen | 309 |
7.3.2.1 Zwangsentformung | 309 |
7.3.2.2 Werkzeugtechnische Maßnahmen | 310 |
7.3.2.3 Schmelzkerne | 312 |
7.3.3 Vermeiden von Hinterschneidungen | 314 |
7.3.3.1 Änderungen des Designs | 314 |
7.3.3.2 Durchtauchende Kerne (Durchblocken) | 314 |
7.3.3.3 Mehrteilige Ausführungen | 316 |
7.4 Mehrkomponenten-Spritzgießen | 318 |
7.4.1 Zweifarbenspritzguss | 319 |
7.4.2 Hart-Weich-Kombinationen | 323 |
7.4.3 Gasinjektionstechnik (GIT)* | 328 |
7.4.4 Wasserinjektionstechnik (WIT) | 334 |
7.4.5 Gasaußendrucktechnik (GAT) | 334 |
Literatur | 334 |
8 Biegeelemente | 338 |
8.1 Schnappverbindungen | 338 |
8.1.1 Schnapphaken | 344 |
8.1.1.1 Formvarianten | 344 |
8.1.1.2 Berechnung* | 347 |
8.1.1.3 Zusatzfunktionen | 348 |
8.1.2 Torsionsschnappverbindung | 351 |
8.1.2.1 Formvarianten | 351 |
8.1.2.2 Berechnung* | 352 |
8.1.3 Ringschnappverbindung | 353 |
8.1.3.1 Formvarianten | 353 |
8.1.3.2 Berechnung* | 354 |
8.1.3.3 Zusatzfunktionen | 356 |
8.1.4 Segmentierte Ringschnappverbindung | 358 |
8.1.4.1 Formvarianten | 358 |
8.1.4.2 Berechnung* | 358 |
8.1.4.3 Zusatzfunktionen | 359 |
8.2 Federelemente | 361 |
8.2.1 Federn aus thermoplastischen Polymerwerkstoffen | 361 |
8.2.1.1 Biegefeder | 361 |
8.2.1.2 Zugfedern | 363 |
8.2.1.3 Druckfedern | 363 |
8.2.1.4 Drehfedern | 367 |
8.2.2 Federn aus Faser-Kunststoff-Verbunden (GFK, CFK) | 368 |
8.2.2.1 Blattfedern | 368 |
8.3 Filmscharniere und Filmgelenke | 371 |
8.3.1 Herstellung | 371 |
8.3.1.1 Spritzgießen | 371 |
8.3.1.2 Blasformen | 374 |
8.3.1.3 Prägen | 374 |
8.3.2 Gestaltung | 375 |
8.3.3 Werkstoffe | 376 |
8.3.4 Berechnung | 377 |
8.3.4.1 Berechnung der Filmlänge und Filmdicke | 378 |
8.3.5 Anwendungsbeispiele | 380 |
8.3.5.1 Deckel/Gehäuseverbindungen | 380 |
8.3.5.2 Vereinfachte Herstellung | 381 |
8.3.5.3 Montagehilfe oder unverlierbare Anbindung | 386 |
8.3.5.4 Dynamisch beanspruchte Filmgelenke | 386 |
8.3.5.5 Bistabile Gelenke | 387 |
Literatur | 389 |
9 Schraubverbindungen | 392 |
9.1 Geformtes oder spanend gefertigtes Gewinde | 393 |
9.1.1 Schrauben aus Polymerwerkstoff | 393 |
9.1.2 Spritzgegossene, blasgeformte, spanend gefertigte Gewinde | 395 |
9.1.3 Bewegungsgewinde | 397 |
9.2 Gewindeeinsätze | 398 |
9.2.1 Umspritzte Gewindebuchsen | 398 |
9.2.2 Mit Ultraschall eingebettete Gewindebuchsen | 398 |
9.2.3 Eingepresste Gewindebuchsen | 399 |
9.2.4 Spreizeinsätze (Expansionseinsätze) | 399 |
9.2.5 Eingeschraubte Einsätze | 400 |
9.2.6 Einsätze aus Polymerwerkstoffen | 400 |
9.2.7 Vergleichende Bewertung der verschiedenen Einsätze | 400 |
9.2.8 Verhalten unter dynamischer Belastung | 404 |
9.3 Gewindeformende Schrauben | 404 |
9.3.1 Schraubenformen und -geometrien | 404 |
9.3.1.1 Flankenwinkel | 406 |
9.3.1.2 Selbsthemmung | 406 |
9.3.2 Gestaltung des Einschraubauges (Tubus)* | 406 |
9.3.2.1 Einschraubtiefe | 407 |
9.3.2.2 Kernlochdurchmesser | 407 |
9.3.2.3 Entlastungsbohrung | 408 |
9.3.2.4 Außendurchmesser | 408 |
9.3.3 Berechnung von Kenngrößen einer Schraubverbindung | 410 |
9.3.3.1 Eindrehmoment | 410 |
9.3.3.2 Überdrehmoment | 412 |
9.3.3.3 Auszugkraft | 412 |
9.3.3.4 Anziehmoment und Vorspannkraft | 413 |
9.3.3.5 Montagebedingungen | 415 |
Literatur | 415 |
10 Rippenkonstruktionen | 416 |
10.1 Vergleich mit anderen Versteifungsmaßnahmen | 416 |
10.1.1 Erhöhung des Elastizitätsmoduls | 416 |
10.1.2 Vergrößerung der Wanddicke | 417 |
10.1.3 Sicken | 418 |
10.2 Allgemeine Aspekte zur Rippenversteifung | 419 |
10.2.1 Rippenhöhe | 419 |
10.2.2 Rippenlage | 420 |
10.2.3 Rippenanzahl (Werkstoffaufwand) | 422 |
10.2.4 Einspannung | 424 |
10.3 Gestaltungsregeln für spritzgegossene Verrippungen | 425 |
10.3.1 Rippendicke | 425 |
10.3.2 Kühlzeit | 426 |
10.3.3 Anspritzrichtung | 427 |
10.3.4 Rippenkreuzungspunkte (Knoten) | 429 |
10.4 Gestaltungsregeln für Rippen nach den GID-Verfahren | 430 |
10.5 Gestaltungsregeln für blasgeformte Rippen und Sicken | 431 |
10.5.1 Blasgeformte Sicken | 432 |
10.5.2 Blasgeformte Rippen | 433 |
10.6 Gestaltungsregeln für gepresste Rippen | 434 |
10.6.1 Handwerkliche Verarbeitung (Handlaminierverfahren) | 435 |
10.6.2 Pressverfahren | 435 |
Literatur | 437 |
11 Zahnräder | 438 |
11.1 Berechnung der Zahn- und Flankentemperaturvon Stirnrädern | 440 |
11.1.1 Blok’sche Blitztemperaturhypothese | 441 |
11.1.2 Temperaturrechnung nach TAKANASHI | 441 |
11.1.3 Temperaturrechnung nach HACHMANN und STRICKLE | 444 |
11.1.4 Vergleich der Temperaturberechnungsverfahren | 445 |
11.1.5 Optimierte Temperaturrechnung | 446 |
11.1.5.1 Temperaturmessungen an Kunststoff/Stahl-Paarungen nach [11.12] | 446 |
11.1.5.2 Temperaturmessungen an Kunststoff/Kunststoff-Paarungen nach [11.36] | 449 |
11.1.5.4 Optimierte Zahlenwertgleichung | 450 |
11.2 Berechnung der Tragfähigkeit | 452 |
11.2.1 Zahnschäden | 452 |
11.2.2 Allgemeine Kenngrößen | 453 |
11.2.3 Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit | 454 |
11.2.4 Berechnung der Zahnflankentragfähigkeit | 461 |
11.2.5 Berechnung der Zahnverformung | 467 |
11.3 Gestaltung | 470 |
11.3.1 Spritzgießen | 470 |
11.3.2 Spanende Herstellung | 473 |
11.3.3 Wellen-/Naben-Verbindung | 474 |
11.3.3.1 Reibschlussverbindung | 475 |
11.3.3.2 Formschlussverbindung | 477 |
11.3.3.3 Vorgespannter Formschluss | 479 |
Literatur | 482 |
12 Gleitlager | 484 |
12.1 Gleitlagerschäden | 487 |
12.2 Berechnung der Belastbarkeit | 488 |
12.2.1 Berechnung der mittleren Lagertemperatur | 488 |
12.2.2 Berechnung der Gleitflächentemperatur | 491 |
12.2.3 Statische Belastbarkeit | 492 |
12.2.3.1 Beanspruchung des Lagerwerkstoffs | 492 |
12.2.3.2 Deformation der Lagerschale | 496 |
12.2.4 Dynamische Belastbarkeit | 500 |
12.2.4.1 Dauerbetrieb | 500 |
12.2.4.2 Aussetzbetrieb | 501 |
12.2.4.3 Verschleiß | 502 |
12.3 Gestaltung | 504 |
12.3.1 Lagerspiel | 504 |
12.3.2 Wanddicke | 507 |
12.3.3 Herstellung | 507 |
12.3.4 Gestaltungsbeispiele | 507 |
Literatur | 509 |
13 Laufrollen und Laufräder | 510 |
13.1 Rollenschäden | 511 |
13.2 Berechnung der Tragfähigkeit | 513 |
13.2.1 Pressungskennwert als näherungsweise Bemessungsgrenze | 513 |
13.2.2 Deformation unter statischer Last | 517 |
13.2.3 Dynamisch beanspruchte Laufrollen | 522 |
13.2.3.1 Frei laufende Rollen (ohne Antrieb) | 523 |
13.2.3.2 Angetriebene Rollen | 528 |
Literatur | 531 |
14 Anleitungen zur Bedienungder Rechenprogramme | 534 |
14.1 Anleitung zur Berechnung von Biegeelementenmit dem Programm BEAMS | 534 |
14.1.1 Berechnung der Verformung unter kurzzeitiger Lasteinwirkung | 534 |
14.1.2 Berechnung der Verformung unter langzeitiger Lasteinwirkung | 536 |
14.1.3 Berechnung der Relaxation unter langzeitiger Lasteinwirkung | 537 |
14.2 Anleitung zur Berechnung von Schnappverbindungenmit dem Programm SNAPS | 537 |
14.3 Anleitung zur Berechnung von Schraubverbindungenmit dem Programm SCREWS | 539 |
Anhang | 542 |
Index | 544 |
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