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Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff im Leichtbau

Seminararbeit 2014 59 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Bauingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Hinführung zur Thematik
1.2 Ziel und Gang der Untersuchung

2 Leichtbau als Konstruktionsprinzip
2.1 Beschreibung
2.2 Anforderungen an den Leichtbau
2.3 Leichtbau- Strategien und Methoden
2.4 Wichtigsten Anwendungsbereiche von Leichtbau

3 Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff
3.1 Anfänge und Einordnung
3.2 Beschreibung
3.3 Markteinblick und Bedarf
3.4 Kostenstruktur
3.5 Herstellung und Verarbeitung
3.5.1 Gestaltung eines Produkts
3.5.2 Herstellung der Kohlenstofffasern
3.5.3 Kohlenstofffasern als textiles Halbzeug
3.5.4 Matrixmaterial als ergänzende Komponente
3.5.5 Herstellungsverfahren
3.5.5.1 Handlaminieren
3.5.5.2 Faserspritzverfahren
3.5.5.3 Faserwicklungsverfahren
3.5.5.4 Pultrusion
3.5.5.5 Formpressen
3.5.5.6 Autoklavenverfahren
3.5.5.7 Harzinjektionsverfahren
3.5.6 Recycling von CFK
3.5.7 Entwicklungstrends

4 Fazit

Literaturverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Anforderungen an Leichtbaukonstruktionen

Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften wichtiger Faserwerkstoffe

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Formen der Leichtbaustrategien

Abbildung 2: Formen der Leichtbauweise

Abbildung 3: Aufnahme unter einem Rasterelektronenmikroskop der gebräuchlichsten Verstärkungsfasern

Abbildung 4: Gewebe aus Kohlenstofffasern

Abbildung 5: Globaler Bedarf an Kohlenstofffasern im Tonnen (*Schätzungen)

Abbildung 6: CF-Kapazitäten nach Herstellern in Tonnen (2012)

Abbildung 7: Kostenvergleich von Referenzbauteilen aus CFK und Stahlblech

Abbildung 8: Kostensenkungspotenzial bis 2020

Abbildung 9: Einflussgrößen auf die Eigenschaften von faserverstärkten Werkstoffen

Abbildung 10: Wertschöpfungskette endlosfaserverstärkter Composites

Abbildung 11: Herstellungsweg von Kohlenstofffasern

Abbildung 12: Herstellung von Kohlenstofffasern

Abbildung 13: Übersicht der Faserklassen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften

Abbildung 14: Spule mit Kohlenstofffasern

Abbildung 15: Darstellung verschiedener Gewebebindungsarten

Abbildung 16: Herstellung von Gewebe aus Kohlenstofffasern

Abbildung 17: Darstellung eines Gelege mit Nähfäden

Abbildung 18: Darstellung eines Geflechts

Abbildung 19: Geflechtproduktion bei SGL Carbon

Abbildung 20: Vergrößerung einer Glasfaser-Kunststoffmatrix

Abbildung 21: Darstellung der Handlaminierung

Abbildung 22: Aufnahme während des Faserspritzverfahrens

Abbildung 23: Darstellungsschema des Faserspritzverfahrens

Abbildung 24: Funktionsprinzip des 3D-Faserspritzverfahrens

Abbildung 25: Darstellung des Faserwicklungsverfahrens

Abbildung 26: 7-Achsen Wicklungsanlage bei der Herstellung eines Druckbehälters aus CFK

Abbildung 27: Schema des Strangziehverfahrens

Abbildung 28: Schematische Darstellung eines Formpresszyklus

Abbildung 29: Bestandteile eines Bauteils für das Autoklavenverfahren

Abbildung 30: Autoklave der Firma Benteler-SGL

Abbildung 31: Das Harzinjektionsverfahren RTM

Abbildung 32: Neue duromere RTM-Verfahren

Abbildung 33: Zusammenfassung der Recycling-Technologien für Bauteile aus CFK

Abbildung 34: Laserschneidtechnik gegen konventionellen Bearbeitungsmethoden bei CFK

Abbildung 35: Laserschneidverfahren für CFK-Werkstoffe

Abbildung 36: Dreidimensionale Prüfung von CFK-Bauteilen mittels Wirbelstromscanner

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Hinführung zur Thematik

Die Europäische Kommission (EK) hat den Wunsch, bis zum Jahr 2050 den Übergang in eine wettbewerbsfähige CO2-arme Wirtschaft zu schaffen. Dafür hat die Kommission fünf wesentliche Kernmaßnahmen formuliert, die im Grunde auf die Emissionsreduzie- rung und Effizienzsteigerung in allen Wirtschaftssektoren zielen. Ziel hierbei soll sein, eine Reduzierung der Emissionen von Kohlenstoffdioxid (CO2) zu bewirken, welche für den Klimawandel eine entscheidende Rolle spielen. Verantwortlich hierfür sind vor al- lem der Energiesektor und die Industrie. Daneben wird dem Verkehrssektor mit 23% am Gesamtanteil der CO2-Emissionen in Europa ebenso eine sehr wichtige Bedeutung zugemessen. Aufgrund dessen wurden von der Europäischen Union (EU) bereits zahl- reiche kurz- und mittelfristige Maßnahmen beschlossen und auf den Weg gebracht.1 Auf den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen nehmen viele Faktoren Einfluss. Ange- fangen von der Energieumwandlung im Motor selbst, über mechanische Energieverlus- te im Antriebsstrang oder auch im Motor bis hin zur Überwindung der äußeren Fahrwi- derstände durch Gewicht, Luftwiderstand sowie Klima, Kühlung und Elektrik. Viele die- ser Faktoren, nämlich zwei Drittel können durch den Fahrer selbst nicht beeinflusst werden, sondern sind das Ergebnis von Forschung und Entwicklung.2

Hierbei gelten Werkstoffe und Werkstofftechnik als Schlüsseltechnologien. Ob in Fahr- zeug- und Flugzeugbau, Maschinenbau oder auch bei Energieerzeugungsanlagen und der Luft- und Raumfahrttechnik, nichts kann ohne Werkstoffe realisiert werden. Hierbei spielt Leichtbau als umfassendes Konstruktionsprinzip eine sehr wichtige Rolle, indem das Gewicht von Produkten bei gleichbleibender oder verbesserter Funktionalität redu- ziert werden soll. Im Bezug auf Fahrzeuge, kann beispielsweise durch Leichtbautech- nik das Gewicht einzelner Fahrzeugkomponenten und somit auch das Gesamtgewicht reduziert werden. Dies hat den Effekt, dass Einsparungen in Hinsicht auf Treibstoffe und auch CO2-Emissionen erzielt werden. Aber jeder Vorteil bringt auch Nachteile mit sich, denn effizienter Leichtbau verursacht erhöhte Werkstoff- sowie Fertigungskosten. Auch gesellschaftliche Anforderungen an Umweltschutz in den genannten Bereichen verursachen neben den Herausforderungen bei Werkstoffen und Fertigung einen star- ken Innovationsdruck, bereits etablierte Produkte durch Leichtbaulösungen zu erset- zen.3

1.2 Ziel und Gang der Untersuchung

Das Ziel dieser Untersuchung ist es, die Wichtigkeit von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoffen in Verbindung mit Leichtbau als Konstruktionsprinzip darzustellen. Hierzu müssen zuerst allgemeine Fragestellungen rund um das Thema Leichtbau beantwortet werden, um gefolgt davon tiefer in dieses Themengebiet einzusteigen. Beschrieben werden Anforderungen, die an den Leichtbau gestellt werden, sowie Strategien und Methoden und die wichtigsten Anwendungsfelder. Da Leichtbau im Grunde nach stark von den verwendeten Werkstoffen abhängig ist, wird dem Kapitel der kohlenstofffaser- verstärkten Kunststoffe der größte Teil der Untersuchung gewidmet. Damit auch hier ein gewisses Grundwissen aufgebaut werden kann, werden Anfänge und Einordnung dieses Werkstoffes beschrieben. Im Anschluss daran wird ein kurzer Einblick hinsicht- lich Markt- und Bedarfsstruktur gegeben. Da der Einsatz dieses Werkstoffes stark von der Kostenstruktur abhängig ist, wird diese beschrieben und ein Vergleich zwischen Referenzbauteilen aus anderen Materialien dargestellt. Der Schwerpunkt dieser Unter- suchung liegt schließlich bei der Beschreibung von Herstellung und Verarbeitung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Zuerst wird die Gestaltung eines Produktes dargestellt. Danach wird die Herstellung der Kohlenstofffasern beschrieben sowie de- ren Weiterverarbeitung als textiles Halbzeug. Im Anschluss daran wird das Matrixmate- rial als ergänzende Komponente erläutert. Gefolgt davon werden die wichtigsten Ver- fahren zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff beschrieben. Da dem Recycling dieser Bauteile eine nicht unbedeutende Rolle zugesprochen wird, wird dieses Thema nach den Herstellungsverfahren dargestellt. Gefolgt davon wird ein Ein- blick in aktuelle Entwicklungstrends dieses umfassenden Themengebietes gegeben. Abgeschlossen wird diese Untersuchung mit dem Fazit.

2 Leichtbau als Konstruktionsprinzip

2.1 Beschreibung

Mit technischem Fortschritt geht immer die Verbesserung der Effizienz von Produkten einher. Dadurch steht Leichtbau als Entwicklungsstrategie immer mehr im Vorder- grund. Die Zielsetzung ist hierbei eine Struktur mit minimalem Eigengewicht sowie ei- ner bestimmten Lebensdauer und Zuverlässigkeit unter vorgegebenen Randbedingun- gen zu schaffen. Dabei entstehen neue Herausforderungen hinsichtlich der Wahl einer zweckgebundenen Bauweise, leichter Werkstoffe und deren Fügetechnik, einer mög- lichst exakten Auslegung sowie letztendlich der Realisierung einer fortschrittlichen Her- stelltechnologie. Zudem stehen die technischen, den wirtschaftlichen Gesichtspunkte stets gegenüber, denn Leichtbaukonstruktionen weisen in Sachen Konzeption, Werk- stoffeinsatz, Herstellung und Erprobung einen erhöhten Aufwand und somit auch Kos- ten auf. Somit sollte bei Neuentwicklungen, die auf Leichtbauweise und somit auf den aufwendigeren Weg setzen, das Verhältnis aus Kosten-Nutzen ganz genau betrachtet werden, damit Vorteile vorhandene Nachteile deutlich kompensieren. In Bereichen, wie der Verkehrstechnik machen sich die Vorteile von Leichtbau durch Gewichtsreduzie- rung direkt bemerkbar. Nicht nur Fahreigenschaften werden verbessert, sondern auch Widerstände wie Rollwiderstand oder Beschleunigungswiderstand verringert. Dabei kommt es zu einem insgesamt geringeren Energieeinsatz, was eine Einsparung von Emissionen mit sich bringt. Im Laufe der Zeit haben sich neben dem konventionellen Fahrzeugbau weitere Anwendungsgebiete bei Elektromobilität, Hochleistungswerk- zeugmaschinen oder auch große Windkraftanlagen eröffnet. Im Wesentlichen wurde der Leichtbau durch den Luftfahrzeugbau geprägt, denn hierbei standen Kosten zu- nächst nicht im Vordergrund was gewissen Freiheiten ermöglichte. Ein wichtiger Mei- lenstein im Leichtbau war vor allem die Ablösung der Fachwerkbauweise durch die freitragende Bauweise mit Nutzung des Eigentragvermögens der Häute. Deswegen wurden Vollwand- und Schalenwandsysteme nichtmehr nur in der Luftfahrt, sondern auch im Eisenbahnwagonbau, Schiffbau, Fahrzeugkarosseriebau und dem Bau von Verarbeitungsmaschinen genutzt. Als weiterer wichtiger Entwicklungsschritt ist die Nutzbarkeit und Weiterentwicklung der Schweißtechnik zu nennen. Durch diesen Vor- schritt entstehen keine Materialdopplungen mehr, die vorher bei Nietverbindungen notwendig waren. Daneben bietet die Schweißtechnik eine hohe Festigkeit der Verbin- dungen. Durch diese resultierenden gestalterischen Möglichkeiten konnten völlig neue Strukturkonzepte verwirklicht werden. Zudem hat der Fortschritt in Richtung elektroni- sche Datenverarbeitung mit darauf abgestimmten Rechenverfahren einen wichtigen Schritt zur Entwicklung des Leichtbaus beigetragen. Dadurch wurden neue und besse- re Analysemethoden beispielsweise in Bezug auf Beanspruchungs- und Verformungs- verhalten ermöglicht. Aber auch neue Rechen- und Bildverarbeitungstechniken haben dazu beigetragen, Fragestellungen hinsichtlich Ermüdungsfestigkeit, Rissphänomenen oder Strukturzuverlässigkeit wissenschaftlich zu klären. Der moderne Leichtbau ist zudem auch durch den Fortschritt in den Materialwissenschaften und seinen neuen Herstellungstechnologien geprägt. Durch neue Hochleistungswerkstoffe werden Kon- struktionen mit extremer Steifigkeit und minimalen Gewicht ermöglicht. Durch diese dargestellten Tatsachen lässt sich Leichtbau als interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft sehen, die auf Erkenntnissen der Festigkeitslehre, Rechentechnik, Werkstoffkunde und Fertigungstechnik basiert.4

2.2 Anforderungen an den Leichtbau

Im Grunde besteht die Anforderung an die Produktentwickler darin, dass diese leichte und zuverlässige Produkte gestalten. Besonders im Bezug auf den weltweit zuneh- menden Ausstoß des klimaschädlichen CO2-Gases steht die Gewichtsreduzierung be- wegter Massen immer mehr im Vordergrund. Dabei soll eine effiziente Nutzung ökolo- gischer Ressourcen nicht nur während der Herstellung des Produktes, sondern auch während des Betriebes ermöglicht werden. Somit ist der Leichtbau als Voraussetzung für eine erfolgreiche Entwicklung marktfähiger Produkte anzusehen. Diese interdiszipli- näre Ingenieurwissenschaft findet sich heutzutage in den unterschiedlichsten Anwen- dungsgebieten. Begonnen mit der Raumfahrt, wie Raketen und Satelliten oder Luft- fahrzeuge, gehören nun auch Straßen- und Schienenfahrzeuge, wie Automobile und Fahrzeuge für den Rennsport oder auch das Bauwesen zu diesem Gebiet. Besonders beim Automobilbau stellt die Entwicklung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen eine besondere Herausforderung dar.

Da sehr große und schwere Batterieeinheiten notwendig sind um die geforderten Reichweiten zu ermöglichen, sind leichte Fahrzeugkarosserien deshalb unverzichtbar. Für den Bau solcher Leitbaustrukturen sind spezielle Strategien sowie Bauweisen not- wendig, um diese Gewichtseinsparungen zu erreichen. Dabei ist deren Entwicklung ein komplexer und wie bereits erwähnt ein interdisziplinärer Prozess mit Anforderungen durch Umweltverträglichkeit sowie Mobilität, Sicherheit und Komfort. Die nachfolgende Tabelle fasst die Anforderungen an Leichtbaukonstruktionen übersichtlich zusammen.5

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Anforderungen an Leichtbaukonstruktionen6

Bei gesellschaftlichen Rahmenbedingungen sind Pflicht- und Akzeptanzwerte die durch tief greifenden Wandel entstehen dem Erleben und Genießen von Freiheit und Wohl- stand vorzuziehen. Dabei spielen vernunftsbetonte Aspekte, wie Nutzen, Kosten und Umweltschutz eine wichtige Rolle. Auch Rahmenbedingungen aus Politik und Gesetz- gebung sind sehr bedeutend, denn diese haben maßgeblichen Einfluss auf die Gestal- tung aktueller und zukünftiger Produkte. Durch das zunehmende Umweltbewusstsein, werden immer strengere Regelungen im Bezug auf den CO2-Ausstoß erlassen. Im Be- zug auf den Fahrzeugmarkt rückt Mobilität, die heutzutage als selbstverständlich er- achtet wird stärker unter den Gesichtspunkt Nachhaltigkeit. Dies machte sich in den letzten Jahren klar bemerkbar, weshalb in diesem Bereich verstärkt Anstrengungen unternommen wurden.7

2.3 Leichtbau- Strategien und Methoden

Um vorgegebene Ziele hinsichtlich des Produktes zu erreichen, ist ein strategisches Vorgehen erforderlich. Die am häufigsten in der Literatur vorkommenden Begriffe sind hierbei Leitbaustrategien, Leichtbauprinzipien und Leichtbaumethoden. Im Grunde behandeln alle drei die gleiche Thematik, jedoch mit unterschiedlichen Ansätzen. Zu den Leichtbaustrategien gehören der Stoffleichtbau, Formleichtbau, Bedingungsleichtbau, Konzeptleichtbau und der Fertigungsleichtbau8

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Formen der Leichtbaustrategien9

Unter erstem ist grundsätzlich der Austausch des verwendeten Materials durch einen leichteren Werkstoff unter Berücksichtigung von Kosten und Fertigungsmöglichkeiten zu verstehen. Dabei müssen Bauteile zumindest die selben oder auch verbesserte Eigenschaften aufweisen. Gewöhnlich werden hierbei die für eine Konstruktion mögli- chen Alternativen untersucht und nach Gesichtspunkte wie Kosten, Potential und Risi- ken bewertet um die optimale Lösung zu erhalten. Bei Formleichtbau geht es darum, die Materialverteilung im Bauteil zu optimieren. Das Grundprinzip hierbei ist Bereiche mit hoher Belastung zu stabilisieren und Bereiche mit geringer Beanspruchung, wenn es denn nach dem Fertigungsverfahren möglich ist zu schwächen. Innerhalb von Be- dienungsleichtbau sollen alle Einflussfaktoren, die auf ein Produkt wirken untersucht werden, um das Konzept mit diesen Ergebnissen zu optimieren. Dabei wird eine Ge- wichtsreduktion auf indirektem Weg angestrebt. Einige Teile eines Produktes weisen oft unterschiedliche zu erwartende Lebensdauern auf. Durch eine Auslegung bei- spielsweise aller Bauteile auf die gleiche Lebensdauer können diese vereinzelt kleiner dimensioniert werden, um Gewicht zu sparen. Die Anwendung dieser Strategie geht mit einer genauen Kenntnis über den Belastungszustand des Bauteils einher. Ist hin- gegen von Konzeptleichtbau die Rede, wird die geeignetste Bauweise aus dem Ver- hältnis zwischen Funktion und Gewicht eines Systems oder Teilsystems ausgewählt.

Der Konzeptleichtbau setzt schwerpunktmäßig auf die Integral- und die Differenzial-bauweise. Erstere integriert nach Möglichkeit eine bestimmte Anzahl von Funktionen in einem Bauteil. Dies ist beispielsweise bei Flugzeugtragflächen der Fall, indem diese nicht nur für Auftrieb sorgen, sondern auch die Treibstoffbehälter beinhalten und somit verschiedene Anforderungen erfüllen. Ist dies nicht möglich oder gewünscht, wird im Grenzfall eine Funktion pro Bauteil integriert und damit die Differenzialbauweise ge- nutzt. Diese Bauart stellt aufgrund der aufwendigeren Montage und der vielen Materia- lien die teurere Variante dar. Unter Fertigungsleichtbau werden alle Minderungsmaß- nahmen hinsichtlich des Gewichts verstanden, die den Produktionsprozess beeinflus- sen. Diese Strategie ist eng mit dem Stoff- und Formleichtbau verbunden. An dieser Stelle sollten Verfahren wie Tailored Blanks, Tailored Tubes, Patchwork Technik und Bonded Blanks genannt werden. Beispielsweise ist es bei dem ersten Verfahren mög- lich Walzen auf und ab zu bewegen, wodurch eine variable Blechdicke im Bauteil er- reicht werden kann. Somit werden Bauteile an den erforderlichen Stellen hinsichtlich des Beanspruchungsverlaufs optimiert, ohne das gesamte Bauteil zu überdimensionie- ren. Dies ist unter anderem bei B-Säulen in Fahrzeugen der Fall. Im Grunde ist es durch diese Verfahren möglich Blechstrukturen mit unterschiedlichen Wandstärken herzustellen. Aber auch Füge- und Montagetechnik zählt mitunter zum Fertigungs- leichtbau. Montagetechnologien wie Schrauben, Nieten oder Punktschweißen können durch Kleben, Löten oder Laserschweißen zu montagebedingten Materialentfall füh- ren.10

Um eine Gesamtstruktur zu erstellen, können Bauweisen getrennt oder zusammenhängend ausgelegt werden. Zudem kann eine Bauweise sich lediglich auf ein Bauteil, eine Bauteilgruppe oder auch auf die gesamte Struktur beziehen. Um die richtige Bauweise bei den jeweiligen Strukturen anzuwenden, sind beispielsweise Faktoren wie Konstruktionsstrategie, Konstruktionselemente, Bauteilgröße und -Anzahl, Werkstoffwahl und das Fertigungsverfahren von Bedeutung.11

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Formen der Leichtbauweise12

Bei der Integralbauweise geht es beispielsweise darum, die gewünschte Struktur auseinen Stück herzustellen. Dabei soll durch die Integration von Funktionen und Teilstü- cken möglichst viel Gewicht eingespart werden. Durch diese Bauweise lassen sich Strukturen mit minimalem Baugewicht und einem geringem Fügeaufwand herstellen. Dafür ist diese Bauweise durch den höheren Fertigungsaufwand und die komplexen Formen zur Herstellung teurer. Eine klassische Bauweise um Gesamtstrukturen aufzu- bauen ist die Differenzialbauweise. Hierbei wird die Gesamtstruktur aus einzelnen Konstruktionselementen, Bauteilelementen und Halbzeugen durch Fügen additiv ver- bunden. Ein wesentliches Merkmal bei dieser Bauweise ist, dass die einzelnen Ele- mente verhältnismäßig einfach gestaltet werden. Zudem können einzelne Elemente durch die unterschiedlichen Werkstoffe miteinander kombiniert werden und dabei ihr spezifisches Leichtbaupotenzial entwickeln. Weitere Vorteile bestehen durch die einfa- che Austauschbarkeit der Einzelteile im Schadensfall sowie dem einfachen Recycling zum Ende des Bauteillebens. Die Gefahr von Kontaktkorrosionen an den Fügestellen bei Metallbauteilen sowie der erhöhte Materialaufwand durch Fügeflansche und der erhöhte Montageaufwand zählen zu den Nachteilen dieser Bauweise. Die Modulbau- weise bildet eine weitere Art der Leichtbauweisen. Als Modul lässt sich eine Baugruppe eines größeren Zusammenbaus definieren. Dabei ist der innere Bereich stark mitei- nander vernetzt und wohingegen der Bereich zu Nachbarbauteilen bzw. -modulen schwächer vernetzt ist. Module können untereinander durch eindeutige Schnittstellen abgegrenzt sowie für die mechanische Verbindung mit der Gesamtstruktur und für alle zu übertragenden Leistungen und Informationen in das umgebenden System einge- bunden werden. Wählt man hingegen die Verbundbauweise werden verschiedene Werkstoffe innerhalb eines Bauteils vereint, um durch die jeweiligen Eigenschaften eine Bauteilstruktur mit geringerer Masse sowie gleichen oder verbesserten Eigen- schaften zu erhalten. Um dies zu erreichen, kommen Metalle, Keramik und Kunststoffe in verstärkter oder unverstärkter Form zum Einsatz und sind je nach Anforderung mit- einander kombiniert. Als Vorteile sind bei der Verbundbauweise das geringe Gewicht trotz höherer Steifigkeit sowie funktionsintegriert eine besser akustische und thermi- sche Dämmung zu nennen. Daneben stehen Nachteile wie der höhere Fertigungsauf- wand und die teilweise höheren Werkstoffkosten gegenüber. Neben den dargestellten Bauweisen sind die Vollwand-Schalensysteme, die Hybridbauweise und die integrie- rende Bauweise zu nennen.13

Leichtbauprinzipien unterscheiden sich hingegen durch die festgelegte Zielsetzung. Dabei steht nicht nur die Gewichtsreduktion im Vordergrund, sondern beispielsweise auch die dynamische Sicherheit eines Bauteils. Hierbei sind die Parameter nicht exakt definiert, jedoch werden diese mit Oberbegriffen wie Form, Topologie, Dimensionen und Werkstoffen beschrieben. Die im vorhergehenden Teil vorgestellten Bauweisen können ebenfalls den Leichtbauprinzipien zugeordnet werden. So entstehen an dieser Stelle mehrere Überschneidungen der einzelnen Methoden.14

2.4 Wichtigsten Anwendungsbereiche von Leichtbau

Zu den Grundbedürfnissen der Menschheit zählt die Mobilität. Heutzutage existiert durch die zunehmende Weltbevölkerung und dem steigenden Wohlstand ein deutlicher Bedarf an mehr Mobilitätsleistung und neuen Mobilitätsmustern. Durch die absehbare Endlichkeit von fossilen Energien, die den größten Teil der Verkehrsleistungen ermög- lichen, sind neue Lösungen bei den Fahrzeugkonzepten, ihren Antrieben und Energie- trägern gefragt. Zudem gilt es insbesondere das CO2, welches bei den Verbrennungs- prozessen entsteht und als Grund für die Klimaveränderungen in der Erdatomsphäre gesehen wird zu reduzieren. Denn umso geringer das Gewicht eines Fahrzeugs ist, umso weniger Energie wird für dessen Fortbewegung benötigt. Die Fahrzeugkarossie- re hat beispielsweise mit ca. 40% den größten Anteil am Gesamtgewicht. Somit nimmt die Gewichtsreduktion durch Leichtbau eine entscheidende Rolle ein, denn eine leich- tere Karosserie führt auch zu einem leichteren Fahrwerk, Getriebe und auch einer leichteren Bremse. Der heutige Stand der Leichtbautechnik ist nicht etwa nur dem Umwelt- und Ressourcenbewusstsein zu verdanken, vielmehr sind es die schon recht frühen und bis heute anhaltenden Bemühungen im Motorsport immer neue Höchstleis- tungen in Sachen Beschleunigung, Verzögerung und Höchstgeschwindigkeit aus den Fahrzeugen herauszuholen. Aber auch zunehmende Anforderungen an die Sicherheit sorgten dafür, dass Fahrzeuge im Laufe der Zeit neben einer stabileren Konstruktion auch funktionelle Sicherheitskomponenten erhielten. Solche Schritte sind natürlich mit einer Erhöhung des Fahrzeuggewichts verbunden, die man durch Leichtbautechnik versucht auszugleichen oder gar das Gesamtgewicht trotzdem zu verringern. Derzeit stehen Elektrofahrzeuge stark in der Diskussion der Regierung, Industrie, Medien und Bevölkerung. Hierbei spielt die Leichtbautechnologie aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) eine Schlüsselrolle in Antriebs- und Fahrzeugkonzepten mit ihren schweren Batterien.15

Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich von Leichtbau ist die Luft- und Raumfahrt. Hierbei wird die Komplexität durch anspruchsvolle Konstruktionsanforderungen sowie komplizierte Fertigungs- und Montageverfahren bestimmt. Auch in diesem Anwen- dungsbereich ist die Zielsetzung das Gewicht der Primärstruktur bei gleichbleibenden oder besseren Belastungseigenschaften zu reduzieren und somit Kosten für Treibstoffe und CO2-Emissionen zu verringern. Wie bereits erwähnt werden hierfür geeignet Maß- nahmen bei der Konstruktion, den Werkstoffen und den Fertigungsverfahren ergriffen. Jedoch ist die Zielerreichung der Gewichtsreduzierung oft mit einer Zunahme der Her- stellkosten verbunden. Da Flugzeuge in der Regel eine Lebensdauer von circa 20 bis 30 Jahren haben, ist vor allem in der Luftfahrt der Zuladung, der Reichweite sowie den Betriebskosten eine erheblich höhere Priorität als die einmaligen Herstellkosten zuzu- messen. Im Flugzeugbau wird gesagt, dass auf 1 Kilogramm Gewichtsreduktion in ei- nem circa 30 jährigen Betrieb eines Flugzeugs etwa 100.000 US-Dollar Treibstoff ein- gespart werden können. Auch hier spielen verschiedene Metalle wie Aluminium-, Titan- und Lithiumlegierungen sowie Kunststoff-Verbundwerkstoffe, wie Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern eine wichtige Rolle. Das Gleiche gilt noch klarer für die Raumfahrt, denn hier wird das Flugmittel noch stärken Belastungs- und Gewichtsanforderungen ausgesetzt. Auch in der Luft- und Raumfahrt wird dem Kohlenstofffaserverbundwerk- stoff eine erhebliche Bedeutung zugesprochen. Heutige Flugzeuge haben im Vergleich zu früher einen deutlich höheren Anteil von Verbundwerkstoffen an der Gesamtmasse der Primärstruktur erreicht.16

Auch im Bauwesen sind Leichtbaulösungen gefragt, denn auch hier sparen sie Res- sourcen und Kosten. Dass Leichtbau eine Gewichtsersparnis und gleichbleibende oder verbesserte Belastungseigenschaften bei Bauteilen oder Bauten ermöglichen soll gilt in jedem Anwendungsbereich. Jedoch gilt explizit im Bauwesen, dass Werkstoffe im All- gemeinen billiger sein sollten, als beispielsweise für Fahrzeuge oder Medizintechnik. Die Preisgestaltung von Werkstoffen korreliert hierbei umgekehrt proportional zum Marktvolumen - je mehr gebraucht wird, umso kleiner der Preis.17 Im Bauwesen hat die Leichtbauweise einen entscheidenden Nachteil. Umso weniger Material in einem Bau- element steckt, desto weniger schützt es vor Lärm. Technisch lässt sich dieser Nachteil natürlich korrigieren, jedoch ist dies kompliziert und kostspielig.18

Der nächste wichtige Anwendungsbereich von Leichtbau ist der Maschinenbau. Hier wird durch den Einsatz von hochdämpfenden Leichtbau-Verbundwerkstoffen eine er- hebliche Reduktion bewegter Massen ermöglicht. Durch das geringere Gewicht beweg- ter Baugruppen sind kleinere Antriebe und eine Auslegung auf geringe Kräfte möglich. Strukturschwingungen entstehen unter anderem durch Antriebe, Reaktionskräfte bei der Bearbeitung und Überschwingungen bei Beschleunigungs- und Abbremsvorgän- gen in Baugruppen. Dies hat zur Folge, dass besonders bei leichten und hochsteifen Konstruktionen die Bearbeitungsgenauigkeit gemindert wird. Mit dem Einsatz von hochdämpfenden Leichtbau-Verbundwerkstoffen wird eine Schwingungsfreiheit ge- schaffen und dadurch auch eine Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit. Zudem wird durch den Einsatz auch eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit bei gleichbleibender Genauigkeit ermöglicht. Da Strukturschwingungen auch zu Dauerwechselbelastungen und Dauerbrüchen führen, ist deren Verringerung eine gleichzeitige Erhöhung der Le- bensdauer.19

3 Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff

3.1 Anfänge und Einordnung

Die Faserverbundbauweise stellt keine Erfindung der neuzeitlichen Technik dar, son- dern ist eine Lösung der Natur die schon seit Ewigkeiten vorhanden ist. Natürliche Fa- serverbundstrukturen lassen sich beispielsweise in der Tragstruktur von Pflanzen fin- den oder auch in der Muskulatur und dem Knochenaufbau von Säugetieren. Ebenso ist der älteste Konstruktionswerkstoff des Menschen ein Faserverbundwerkstoff, denn Holz besteht aus hochfesten Cellulosefasern, die in einer Matrix aus Lignin eingebettet sind. Dabei stellt Holz idealerweise mit einer niedrigen Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit die wichtigsten Eigenschaften eines Leichtbauwerkstoffs dar. Abgesehen von dem Leichtbauprinzip, Kräfte von Fasern aufnehmen zu lassen, existiert bei Faser- verbundwerkstoffen ein weiteres wichtiges Prinzip, welches aber auch der technischen Zivilisation schon länger bekannt ist. Durch die Kombination von verschiedenen Werk- stoffen sollen Teil-Mängel der Einzelstoffe relativiert werden. Seit dem 20. Jahrhundert kam es zur Verbreitung der modernen Faserverbundwerkstoffe. Mitunter ist dies mit der Entwicklung von Kunststoffen, insbesondere den Kunstharzen verknüpft. Denn Kunststoffe sind ideale Kleber für Fasern mit den Eigenschaften, dass diese sehr gut haften, leicht und sehr korrosionsbeständig sind. Durch diesen Stand der Technik las- sen sich natürliche Faserverbunde durch die künstlich hergestellten weit übertreffen.20

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ist in den Werkstoffbereich der Verbundwerkstof- fe und in die Unterkategorie der Faserverbundkunststoffe einzuordnen. Hierbei handelt es sich um einen Werkstoff der verschiedene Komponenten miteinander kombiniert. Verbundwerkstoffe stellen eine eigene Werkstoff-Klasse dar, in der maßgeschneiderte Eigenschaften sowie anwendungsabhängige Verarbeitungsverfahren eine wichtige Rolle spielen. Als Verstärkungsfasern wird heute im Wesentlichen auf Glasfasern, Koh- lenstofffasern, Aramidfasern und Naturfasern gesetzt.

[...]


1 Vgl. Homepage Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (2012)

2 Vgl. Homepage Volkswagen (2009)

3 Vgl. Degischer, Lüftl (2009), XIf.

4 Vgl. Klein (2013), S. 1f.

5 Vgl. Henning, Moeller (2011), S. 59.

6 Eigene Darstellung in Anlehnung an Henning, Moeller (2011), S. 60.

7 Vgl. Henning, Moeller (2011), S. 60.

8 Vgl. Ellenrieder (2013), S. 43ff.

9 Eigene Darstellung in Anlehnung an Ellenrieder (2013), S. 46.

10 Vgl. Ellenrieder (2013), S. 43ff.

11 Vgl. Henning, Moeller (2011), S. 70.

12 Eigene Darstellung in Anlehnung an Ellenrieder (2013), S. 46.

13 Vgl. Henning, Moeller (2011), S. 70.

14 Vgl. Ellenrieder (2013), S. 45ff.

15 Vgl. Friedrich, Krishnamoorthy (2013), S. 1ff.

16 Vgl. Martin (2013), S. 159ff.

17 Vgl. Degischer, Lüftl (2009), 139ff.

18 Vgl. Homepage Materialsgate (2011)

19 Vgl. Homepage Fraunhofer IFAM (o.J.)

20 Vgl. Schürmann (2007), S. 1ff.

Details

Seiten
59
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783656662792
ISBN (Buch)
9783656662778
Dateigröße
14.9 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v273359
Institution / Hochschule
Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes
Note
1,0
Schlagworte
kohlenstofffaserverstärkter kunststoff leichtbau

Autor

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Titel: Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff im Leichtbau