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R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH • D-71111 Waldenbuch • Phone [phone]* • Fax [phone]* • www.r-g.de
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VERSTÄRKUNGSFASERN EINFÜHRUNG IN DAS GEBIET DER FASERVERBUNDSTOFFE
REINFORCING FIBRES AN INTRODUCTION TO THE FIELD OF FIBRE COMPOSITES
Gewichtsminderungen unter Beibehaltung oder gar Verbesserung der
mechanischen Eigenschaften sind die wesentlichen Vorteile des Leichtbaus
mit Faserverbundwerkstoffen. Dies läßt sich leicht anhand der Rentabilität
eines Flugzeuges betrachten, dessen Zellengewicht aus Verbundwerkstoffen
um 10 % reduziert wurde.
50 % Zellengewicht
50 % airframe weight
25 % Nutzlast
25 % payload
25 % Treibstoff
25 % fuel
Faserverbund-Leichtbau
fibre composite lightweight construction
45 % Zellengewicht
45 % airframe
- 10 %
- 10 %
+ 20 %
+ 20 %
30 % Nutzlast
30 % payload
25 % Treibstoff
25 % fuel
* Dieser Text enthält Auszüge aus dem Fachbuch „Ökonomischer und
Ökologischer Leichtbau mit faserverstärkten Polymeren“, 2., völlig
neubearbeitete Auflage, von Prof. Dr. Günter Niederstadt und 6 Mitautoren,
erschienen im Expert-Verlag, 71272 Renningen-Malmsheim.
Das Buch ist erhältlich bei R&G unter der Bestell-Nr. 380 126-1
Geht man davon aus, daß das Zellengewicht etwa 50 % des Abfluggewichts
eines Flugzeugs beträgt, so verbleiben nur 25 % für die Nutzlast und 25 %
für die erforderlichen Treib- und Betriebsstoffe. Eine 10 %ige Einsparung am
Zellengewicht erbringt eine Nutzlasterhöhung von 20 %. Das ist ein großer
Vorteil für die Rentabilität des Flugzeugs und der wichtigste Grund für die
Vorreiterrolle des Flugzeugbaus bei der Anwendung von Faserverbund-
werkstoffen. Ähnliche Verbesserungen hinsichtlich der Rentabilität ergeben
sich auch für den Schiffbau, den Bus- und Rennwagenbau und in vielen
Bereichen des Maschinenbaus.
Fasern
Bei der Auswahl geeigneter Verstärkungsfasern ist nicht nur eine hohe
Festigkeit wichtig, sondern auch eine niedrige Materialdichte. Eigen-
schaften, die auf die Dichte bezogen werden, nennt man spezifische
Materialeigenschaften. In einem solchen Kennwert wird der Werkstoff
nicht nur nach seinen mechanischen Eigenschaften beurteilt, sondern auch
nach seiner geringen Masse. Dieser, als Reißlänge gebräuchliche Wert ergibt
sich aus der Faserlänge in km, bei der ein Faden durch sein Eigengewicht
reißt. Geeignet sind also Fasern mit großer Reiß- und Dehnlänge. Dabei
wird der Vorteil von Kohlenstoffasern besonders deutlich. Kohlefasern
verfügen über eine große Eigenschaftsbreite und können, je nach Type,
sowohl große spezifische Festigkeiten als auch große spezifische Steifigkeiten
aufweisen.
Ein wichtiges Kriterium für den Konstrukteur ist immer das Spannungs-
Dehnungs-Diagramm. Es gibt Antwort auf die Frage nach der Deformation
im Belastungsfall.
The essential advantage of lightweight engineering with fibre composites
is that material weights are reduced without any sacrifice to the mechanical
properties. In a number of cases, these properties are even enhanced. This can
best be illustrated by the cost-effectiveness of an aircraft whose airframe has
been made of fibre composites, with a total weight reduction of 10%.
If we assume that the weight of the airframe is about 50 % of the aircraft’s
take-off weight, then the remaining 50 % must be shared equally between the
payload and the requisite fuels and lubricants. Reducing the airframe weight
by 10 % increases the payload by 20 %. This is a considerable advantage
for the cost-effectiveness of an aircraft, and the key driving power behind
the pioneering role played by aircraft construction in the application
of fibre composites. Similar improvements to cost-effectiveness can also
be obtained for shipbuilding, the construction of buses and racing cars, and
many other fields of mechanical engineering.
Fibres
The choice of a suitable reinforcing fibre should attach importance not only
to high strength, but also to a low material density. Properties based
on the material’s density are called specific material properties. One of
these characteristics usually taken as a measure not only of the material’s
mechanical properties, but also of its low mass is the so-called breaking
length, or the minimum length of a fibre in kilometres that breaks under its
own weight.
So suitable fibres are those with large breaking and extensile lengths. And
here is where the advantage of carbon fibres comes to the fore. Carbon
fibres exhibit a wide range of properties, including high specific strength and
high specific rigidity depending on the type.
One indispensable set of criteria for the designer takes the form of the
stress-strain curve. This provides information on how fibres deform when
under load.
* This article contains a number of translated sections taken from Prof. Dr.
Günter Niederstadt et al.’s Ökonomischer und Ökologischer Leichtbau mit
faserverstärkten Polymeren (2nd completely revised edition published by
Expert-Verlag at 71272 Renningen-Malmsheim).
This book is available from R&G, order no. 380 126-1.