Analyse von Verbundwerkstoffen

Was ist ein Verbundwerkstoff?

Ein Verbundwerkstoff ist ein Material, das aus mehreren Schichten unterschiedlicher Komponentenmaterialien aufgebaut ist. Die Hauptkomponenten eines Verbundwerkstoffs sind:

• Kernmaterial
  Wabenkern, Holz, PU, PVC, PS, ...
• Matrix
  Dies ist das Bindematerial zwischen den verschiedenen Schichten. Das Matrixmaterial ist in der Regel ein Harz.
• Verstärkungsfasern
  Diese Fasern sind verantwortlich für die anisotropen (d. h. richtungsabhängigen) Eigenschaften und die größte Steifigkeit des Verbundwerkstoffs. Die Fasern können unidirektional, gestrickt, genäht oder gewebt sein.

Vorteile von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffe haben eindeutig eine große Anzahl von Vorteilen gegenüber traditionelleren Materialien:

• In der Regel eine kostengünstige Lösung
• Komplexe geometrische Formen sind möglich, die oft schwer mit traditionelleren Fertigungstechniken zu erreichen sind
• Hohe Festigkeit und geringes Gewicht
• Gute Beständigkeit gegen Chemikalien und können unter anderem für die Herstellung von Lagertanks für chemische Produkte verwendet werden
• Korrosionsbeständig
• Hohe Ermüdungsfestigkeit (z. B. Kohlefaser)
• Die Materialeigenschaften des Verbundwerkstoffs können maßgeschneidert werden (Materialdesign)
• Nehmen wenig bis gar keine Feuchtigkeit auf
• Hohe Schwingungsdämpfung

Nachteile von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffe haben jedoch auch einige Nachteile:

• Anisotropes thermisches Verformungsverhalten
• Geringe Schersteifigkeit und -festigkeit zwischen den Schichten
• Langlebigkeitsprobleme (UV, Hitze, Alterung, ...)
• Begrenzte Wärme- und Feuerbeständigkeit des Matrixmaterials
• Unerwünschtes sprödes Versagensverhalten
• Recycling von Verbundwerkstoffen ist eine klare Herausforderung
• Schwierigkeiten beim Einsatz von Verbundwerkstoffen zusammen mit herkömmlichen Verbindungen (Schrauben, Nieten, Kleben)
• Empfindlich gegenüber der Fertigungsqualität (Staub, Luftblasen, andere Unvollkommenheiten)

Besondere Eigenschaften von Verbundwerkstoffen

Durch die sorgfältige Auswahl der Komponentenmaterialien, aus denen ein Verbundwerkstoff besteht, können einige interessante Eigenschaften entstehen:

• Verbundwerkstoffe können entweder leitfähig oder nicht leitfähig sein, sind nicht magnetisch und radartransparent
• Verbundwerkstoffe können eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen
• Thermische Stabilität durch einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Kohlefaser)

Analyse und Bewertung von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffanalyse mit der Finite-Elemente-Methode

Strukturen aus Verbundwerkstoffen werden mit der Finite-Elemente-Methode analysiert. Die Analyse von Verbundwerkstoffen unterscheidet sich erheblich von der Analyse konventioneller Materialien, da diese Materialien Schicht für Schicht bewertet werden müssen, sowohl für das Kernmaterial, die Verstärkungsfasern als auch die Matrix. Die Festigkeit und Steifigkeit eines Verbundwerkstoffs ist auch stark richtungsabhängig (anisotrop).

Die Berechnung der Steifigkeit eines Laminats (d. h. einer Anzahl gestapelter Materialschichten) ist ein wichtiger Schritt bei der Bewertung des Verbundwerkstoffs mit der Finite-Elemente-Methode. Die Steifigkeit des Laminats hängt von der Anzahl der Schichten und der Richtung der einzelnen Materialschichten ab. Darüber hinaus kann jede Schicht unterschiedliche mechanische Eigenschaften, unterschiedliche Dicken und eine unterschiedliche Faserrichtung aufweisen.

Versagensvorhersage von Verbundwerkstoffen

Der einfachste Ansatz zur Vorhersage des Versagens eines Verbundwerkstoffs besteht darin, anzunehmen, dass das Material versagt, sobald ein Referenzspannungswert in einer Schicht des Materials überschritten wird. Dieser Ansatz wird als First Ply Failure mode bezeichnet. Ein anderer Ansatz geht davon aus, dass ein Verbundwerkstoff versagt, wenn die letzte Schicht versagt. Dieser Ansatz wird als Last Ply Failure mode bezeichnet.

Ein anderer Bewertungsansatz ist das Tsai-Wu-Versagenskriterium. Die Philosophie dieses Ansatzes ist ähnlich wie das Von-Mises-Kriterium für isotrope Materialien. Das Tsai-Wu-Kriterium bewertet Folgendes:

• Richtungsabhängige Materialfestigkeit und Steifigkeit (Längs-, Quer- und Scherfestigkeit)
• Unterscheidung zwischen Zug- und Druckspannungen
• Richtungsabhängige Spannungsinteraktionen zwischen verschiedenen Schichten

Versagenskriterien

Neben den oben genannten Kriterien gibt es weitere industrieweit anerkannte Versagenskriterien zur Bewertung der Festigkeit von Verbundwerkstoffen:

• Maximale Spannung
• Maximale Dehnung
• Tsai-Hill
• Tsai-Wu
• Hashin
• Puck
• Cuntze
• LaRC
• Hoffman
• Sandwich

Zusätzliche Versagenskriterien wurden für die Ermüdungsanalyse von Verbundwerkstoffen entwickelt:

• Norris
• Franklin-Marin
• Hashin-Rotem
• Hashin-Sun
• Modifiziertes NU
• Norris-McKinnon
• Christensen

Fragen zur Gestaltung von Verbundwerkstoffen?

Unser Ingenieurteam verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Gestaltung von Verbundwerkstoffen sowie in der Analyse und Bewertung der Festigkeit und Steifigkeit von Verbundwerkstoffen. Haben Sie Fragen zu Verbundwerkstoffen oder ein Projekt, das diese Materialien umfasst, lassen Sie es uns bitte über E-Mail wissen. Wir informieren Sie gerne darüber, wie wir Ihnen bei Ihren Projekten helfen können!