Mit dieser, vom Bau-Überwachungsverein (BÜV) herausgegebenen Empfehlung für die Bemessung und Konstruktion tragender Kunststoffbauteile, wird dem Planer, ausgehend von den ingenieurtechnischen Grundlagen, die Planung, Berechnung und Ausführung von Bauteilen in Kunststoff praxisnah erläutert. Einen besonderen Schwerpunkt bilden dabei die ausführlichen Beispielrechnungen, die die in der BÜV-Richtlinie aufgezeigten Nachweismethoden anschaulich verdeutlichen. Die Beispiele sind so aufbereitet, dass ein direkter Bezug zur Richtlinie sowie zu anderen relevanten Normen und Regelwerken für den Anwender sofort erkennbar ist.
Aktualisiert: 2023-05-11
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Mit dieser, vom Bau-Überwachungsverein (BÜV) herausgegebenen Empfehlung für die Bemessung und Konstruktion tragender Kunststoffbauteile, wird dem Planer, ausgehend von den ingenieurtechnischen Grundlagen, die Planung, Berechnung und Ausführung von Bauteilen in Kunststoff praxisnah erläutert. Einen besonderen Schwerpunkt bilden dabei die ausführlichen Beispielrechnungen, die die in der BÜV-Richtlinie aufgezeigten Nachweismethoden anschaulich verdeutlichen. Die Beispiele sind so aufbereitet, dass ein direkter Bezug zur Richtlinie sowie zu anderen relevanten Normen und Regelwerken für den Anwender sofort erkennbar ist.
Aktualisiert: 2023-05-11
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Durch den Einsatz einer ionischen Flüssigkeit (IL) konnten aus verschiedenen Zellstoffen über einen Trocken-Nass-Spinnprozess Cellulosefilamentfasern hergestellt werden. Durch Anpassung der Spinnbedingungen war es möglich Cellulosefasern für technische und textile Bereiche zu entwickeln. Die hergestellten Fasern wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Weitwinkelröntgendiffraktion (WAXS), Doppelbrechung, des Wasserrückhaltevermögens und mechanischer Prüfung untersucht. Kristallinität, Gesamtorientierung korrelierten unteranderen mit den mechanischen Eigenschaften der Fasern. Im Weiteren wurden sowohl Fasern aus dem IL-basiertem Spinnprozess als auch sogenannte Reifencordfasern als Carbonfaser (CF) Präkursoren eingesetzt. Im ersten Schritt der CF-Herstellung erfolgte eine kontinuierliche Stabilisierung erfolgte in einem neuartigen Niederdruckprozess. Die Charakterisierung der stabilisierten Fasern erfolgte über REM, WAXS, Elementaranalyse (EA), Infrarotspektroskopie und der Bestimmung des Limiting Oxygen Index. Die Carbonisierung erfolgte in kontinuierlichen Versuchen. Die erhaltenen CFn wurden mittels Elementaranalyse, mechanischer Prüfung, REM, Raman-Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und WAXS-Messungen untersucht. Weiterhin wurden Cellulose-basierte Materialien (Fasern und Vliese) als Trägermaterial für Polyethylenimin (PEI) eingesetzt. Für die PEI-Cellulosematerialien konnte über Thermogravimetrie mit nachgeschalteter Gasanalyse eine zyklenstabile CO2-Sorptionskapazität bestimmt werden.
Aktualisiert: 2023-01-01
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This thesis is a treatise on the modification of mechanical properties and the fibre matrix-bonding of thermally treated carbon fibres. Thermal treatment is understood to be a process that is frequently used for the recycling of carbon fibres. The focus is on processes in nitrogen and oxygen atmosphere at temperatures between 400 °C and 800 °C. Different ways of oxygen flow and oxygen concentration are investigated in a lab-scale batch furnace. This furnace has a volume of 166 l and is therefore representing a rather large facility for thermals investigations on carbon fibres. For the material selection different carbon fibre manufacturers, dry waste as well as
CFRP-waste is chosen and thermally treated. The main parameters to be investigated are the single fibre tensile strength and single fibre tensile stiffness but also the change of the fibre surface. Subsequently, a selected amount of treated fibres are examined for their fibre-matrix-adhesion in a new single-fiber pull-out test. In particular, the single-fiber tensile test and the pull-out test are preceded by a detailed characterization of measurement and test parameters.
Furthermore larger CFRP structures are treated and their layers are separated with a introduced thermal process. The aim behind is to investigate the influence of the residual fibre char that stick to the single filament and may influence the fibre-matrix-adhesion. The separated layers were infiltrated again, followed by macroscopic tests the compare the micromechanical and macro mechanical behaviour of carbon fibres in comparison to their CFRP. Here, the focus is on fibre-matrix adhesion, which is why ILSS, edge-shear and shear frame tests were carried out in particular. The mayor influencing factor for good mechanical properties of recycled carbon fibre material are presented and explained at the end.
Aktualisiert: 2022-12-30
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Das Tailored Fibre Placement (TFP) ist ein Verfahren mit, dem Textilien für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) lastgerecht und endkonturnah hergestellt werden können. Aufgrund der komplexen Bauteilauslegung und des fehlenden Wissensmanagements findet die TFP-Technologie trotz ausgereifter Maschinentechnologie wenig Einsatz für FVK-Bauteile. Derzeit gibt es kein einheitliches, systematisches Vorgehen, mit dem Prozessketten zur TFP-Bauteilherstellung gestaltet werden können.
In dieser Arbeit wird die ganzheitliche Gestaltung von Technologieketten durch Berücksichtigung der Prozessschritte Imprägnierung und Konsolidierung zum finalen FVK-Bauteil entwickelt, um Faserverschnitt und damit Halbzeugkosten zu reduzieren. Dafür wird eine sechsstufige Methodik zur Gestaltung der Technologiekette für TFP-Bauteile entwickelt, welche die gesamte Prozesskette von der Faser bis zum fertigen FVK-Bauteil betrachtet und auf der integrierten und operativen Technologieplanung basiert. Dabei wird ein systematisches Vorgehen für die effiziente und übersichtliche Prozessplanung entwickelt.
Die entwickelte Methodik wird an drei industrienahen Bauteilen (Sitzteiler, Radlauf und Cabriodach) angewendet. Dadurch werden neue, innovative und ganzheitliche Technologieketten für TFP-Bauteile gestaltet und mit Bauteilen aus Referenzmaterialien verglichen. Dabei zeigen die Ergebnisse des technisch-wirtschaftlichen Vergleichs eine Steigerung der Performance bzw. Funktionalisierung der Bauteile bei einhergehenden Kostenvorteilen. Der Faserverschnitt wird durch den Einsatz der TFP-Technologie bis zu 30 % reduziert. Gegenüber der konventionellen Technologiekettengestaltung entfallen Iterationen bei der Auslegung und Preforming, sodass der Prozessplanungsaufwand um bis zu 30 % reduziert werden kann.
Aktualisiert: 2021-05-20
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Polyacrylnitril (PAN) ist ein widerstandsfähiges Polymer, aus dem über Lösungsspinnen Fasern hergestellt werden können. Diese PAN-Fasern werden vorrangig zu Textilien wie Markisen und Kleidung verarbeitet, außerdem zu Carbonfasern (CFn). PAN für Textilien (Textil-PAN) ist niedermolekularer und günstiger als PAN für CFn (CF-PAN). Noch günstiger als Textil-PAN-Fasern sind schmelzgesponnene Fasern, insbesondere Polyester-Fasern.
In dieser Arbeit wurde PAN über eine neue Kombination aus interner und externer Weichmachung schmelzgesponnen, es wurde SchmelzPAN genannt. Als interner Weichmacher wurde Methylacrylat verwendet, als externer Weichmacher Propylencarbonat. Die SchmelzPAN-Fasern entsprachen in ihren mechanischen Eigenschaften typischen Textil-PAN-Fasern.
Außerdem wurden CFn aus den SchmelzPAN-Fasern und kommerziellen Textil-PAN-Fasern über Elektronenbestrahlung (EB) hergestellt. Die CFn aus kommerziellem Textil-PAN, welches mit einer EB-Dosis von 1000 kGy bestrahlt wurde, entsprach in seinen mechanischen Eigenschaften der kommerziellen CF-Type "Toray T300".
Aktualisiert: 2020-12-26
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Mit dieser, vom Bau-Überwachungsverein (BÜV) herausgegebenen Empfehlung für die Bemessung und Konstruktion tragender Kunststoffbauteile, wird dem Planer, ausgehend von den ingenieurtechnischen Grundlagen, die Planung, Berechnung und Ausführung von Bauteilen in Kunststoff praxisnah erläutert. Einen besonderen Schwerpunkt bilden dabei die ausführlichen Beispielrechnungen, die die in der BÜV-Richtlinie aufgezeigten Nachweismethoden anschaulich verdeutlichen. Die Beispiele sind so aufbereitet, dass ein direkter Bezug zur Richtlinie sowie zu anderen relevanten Normen und Regelwerken für den Anwender sofort erkennbar ist.
Aktualisiert: 2023-04-03
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Mit dieser, vom Bau-Überwachungsverein (BÜV) herausgegebenen Empfehlung für die Bemessung und Konstruktion tragender Kunststoffbauteile, wird dem Planer, ausgehend von den ingenieurtechnischen Grundlagen, die Planung, Berechnung und Ausführung von Bauteilen in Kunststoff praxisnah erläutert. Einen besonderen Schwerpunkt bilden dabei die ausführlichen Beispielrechnungen, die die in der BÜV-Richtlinie aufgezeigten Nachweismethoden anschaulich verdeutlichen. Die Beispiele sind so aufbereitet, dass ein direkter Bezug zur Richtlinie sowie zu anderen relevanten Normen und Regelwerken für den Anwender sofort erkennbar ist.
Aktualisiert: 2023-03-14
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Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und strukturelle Untersuchung von Lignin-basierten Carbonfasern und Präkursorsystemen. Es wurde ein neuartiges Konzept zur kontrollierten Kettenverlängerung von Lignin entwickelt, das niedermolekulares technisches Lignin in ein maßgeschneidertes, linearisiertes und orientierbares Präkursorpolymer für Carbonfasern transformiert. Das Konzept umfasste die Copolykondensation von Lignin mit einem geeigneten Verknüpfer unter Ausbildung von Methylenbrücken. Durch Variation der Stöchiometrie zwischen Lignin und Verknüpferverbindung konnte der Verzweigungsgrad im Produkt beeinflusst und minimiert werden. Das resultierende polymere Lignin wies Molekulargewichtserhöhungen von Faktor 20 (Mn) bis zu 200 (Mw) auf. Strukturelle Untersuchungen belegten einen quasi-linearen Molekulargewichtsaufbau. Das so maßgeschneiderte polymere Lignin konnte erfolgreich zu feinen Multifilament Präkursorfasern trockenversponnen werden. Die bei 1000 °C carbonisierten Fasern auf der Basis von 90 Gew.-% reinem Lignin wiesen sehr starke strukturelle Ähnlichkeiten mit der PAN-basierten kommerziellen Carbonfaser Toray T300 auf.
Aktualisiert: 2021-04-16
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Dieser nützliche Leitfaden bietet einen praktischen Ansatz zur Herstellung von Carbon-Fasern und ihren Verbundstoffen. Das Buch beginnt mit einer kurzen Geschichte bzgl. der Entwicklung der Carbon-Faser, definiert die Terminologie für alle Formen von festem Kohlenstoff sowie die Eigenschaften für elementarer Kohlenstoff und seinen allotropen Formen. Es werden verschiedene Precursoren für Carbon-Fasern, entsprechende Oberflächenbehandlung und Schlichten für verschiedene auf den Weltmarkt erhältlichen Carbon-Faser-Typen vorgestellt. Das Buch gibt dabei einen hervorragenden Überblick bzgl. chemischer und physikalischer Eigenschaften von Carbon-Fasern und ihren Verbundstoffen. Es werden zudem gängige Test- und Analyseverfahren zum Nachweis dieser Eigenschaften präsentiert.In mehreren Kapiteln werden typische Verarbeitungsprozesse für Carbon-Fasern mit trockenen und auch imprägnierten Halbzeugen in Anwendungsbereichen wie Luft und Raumfahrt, Windindustrie und Automotive bis hin zur Bauindustrie dargestellt. Dabei werden die Vorteile und Nachteile verschiedenster Fertigungsverfahren ausgehend von Anwendungsbeispielen aufgezeigt.Betrachtungen bzgl. C-Faser-Recycling und Nachhaltigkeit (Environmental footprint) sowie neue Entwicklungen im Bereich der Carbon-Faser-Herstellung sollen den Leser bei der Auswahl und im Verständnis von Material, Prozess und Design unterstützen, um diese erfolgreich umsetzen zu können.
Aktualisiert: 2022-09-15
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Dieser nützliche Leitfaden bietet einen praktischen Ansatz zur Herstellung von Carbon-Fasern und ihren Verbundstoffen. Das Buch beginnt mit einer kurzen Geschichte bzgl. der Entwicklung der Carbon-Faser, definiert die Terminologie für alle Formen von festem Kohlenstoff sowie die Eigenschaften für elementarer Kohlenstoff und seinen allotropen Formen.
Es werden verschiedene Precursoren für Carbon-Fasern, entsprechende Oberflächenbehandlung und Schlichten für verschiedene auf den Weltmarkt erhältlichen Carbon-Faser-Typen vorgestellt. Das Buch gibt dabei einen hervorragenden Überblick bzgl. chemischer und physikalischer Eigenschaften von Carbon-Fasern und ihren Verbundstoffen. Es werden zudem gängige Test- und Analyseverfahren zum Nachweis dieser Eigenschaften präsentiert.
In mehreren Kapiteln werden typische Verarbeitungsprozesse für Carbon-Fasern mit trockenen und auch imprägnierten Halbzeugen in Anwendungsbereichen wie Luft und Raumfahrt, Windindustrie und Automotive bis hin zur Bauindustrie dargestellt. Dabei werden die Vorteile und Nachteile verschiedenster Fertigungsverfahren ausgehend von Anwendungsbeispielen aufgezeigt.
Betrachtungen bzgl. C-Faser-Recycling und Nachhaltigkeit (Environmental footprint) sowie neue Entwicklungen im Bereich der Carbon-Faser-Herstellung sollen den Leser bei der Auswahl und im Verständnis von Material, Prozess und Design unterstützen, um diese erfolgreich umsetzen zu können.
Aktualisiert: 2022-10-11
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Die Luftfahrtindustrie war Jahrzehntelang der Treiber der High-Performance Composites und konnte mit den neuesten Flugzeug-Entwicklungen CFK-Anteile von über 50 Prozent aufweisen. Neuere Entwicklungen verlangen jedoch nach Kostenreduktionen bei größeren Stückzahlen. Daher wurde eine Untersuchung von Heavy Tow Carbonfasern durchgeführt, um deren Prozessierbarkeit und Leistungsfähigkeit in Bezug auf ihre Kosteneffektivität zu überprüfen.
In einer umfassenden Spreizstudie wurden die unterschiedlichen Einflussparameter des Prozesses untersucht. Die Heavy Tows konnten minimale Rovingflächengewichte von 60 bis 80 g/m² gegenüber <50 g/m² bei den Referenzfasern erreichen. Abhängig von Überlapp und Homogenität konnten damit dennoch qualitativ ausreichende Tapes auf dem sogenannten Low Grade (134 g/m²) hergestellt werden. Die Faserqualität konnte teilweise als gleichwertig identifiziert werden und die Abweichungen der Rovingbreiten waren bei den Heavy Tows oft niedriger als bei ihren Vergleichsfasern aus 12K.
Die mechanische Leistung wurde in unterschiedlichen Orientierungen, Lagenaufbauten und Testverfahren charakterisiert. Die Abschläge der 0°-Zugfestigkeit waren dabei zwar signifikant, jedoch kommen sie bei realitätsnahen 0/90°- und QI-Aufbauten in Größenordnungen, die zu vernachlässigen sind. In den Steifigkeitswerten konnten nahezu gleichwertige Eigenschaften zwischen 50K und 12K Fasern festgestellt werden. Des weiteren konnte SGL mit neuen Faserentwicklungen zeigen, dass auch mit erhöhten Filamentzahlen Steifigkeiten auf dem Level von IM-Fasern herstellbar sind.
Die abschließenden Kostenberechnungen zeigten Materialkostenreduktionen von über 30 Prozent, womit die vielversprechenden Vorteile der Heavy Tow Fasern eindeutig bestätigt werden konnten.
Aktualisiert: 2019-12-27
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In der vorliegenden Arbeit wurde eine modular aufgebaute Anlage zur Herstellung von Hybridrovings entwickelt. Solche Hybridrovings können im Anschluss zu thermoplastischen Faserverbundkunststoffen verarbeitet werden. Aufgrund des modularen Aufbaus der Anlage besteht die Möglichkeit, Zwischenprodukte herzustellen sowie die gesamte Anlagentechnologie ständig weiterzuentwickeln und auf aktuelle Marktanforderungen zu reagieren. Bei den genannten Teilprozessen handelt es sich um das Spreizen und anschließende Teilen von Carbonfasern. Diese Prozesse sind insbesondere von Bedeutung, da die Filamentanzahl solcher Carbonfaser-Heavy-Tows im Zuge einer wirtschaftlichen Produktion immer weiter zunimmt und bereits jenseits von 50.000 Einzelfilamenten liegt. Dies trägt dazu bei, den Preis für Carbonfasern auf unter 10 ?/kg zu reduzieren. Für einen breiten Einsatz dieser Heavy-Tows sind Prozesse zur Veredelung notwendig. Dazu zählt das in dieser Arbeit adressierte Spreizen der Fasern. Dieses ist sowohl für das Ausrichten der Fasern als auch für ein geringes Flächengewicht von daraus hergestellten textilen Flächen wichtig. Um darüber hinaus günstige Carbonfasern mit einer Filamentanzahl im Bereich zwischen 1.000 und 50.000 Einzelfilamenten anzubieten, wird der aufgezeigte Prozess zur Teilung von Verstärkungsfasern betrachtet. Hierbei wird mit einer definierten Anzahl von Schneideinheiten sowie der Positionierung dieser Systeme zueinander eine bestimmte Anzahl von Filamenten sowie Breite von geschnittenen Split Tows realisiert. Die Entwicklung der Anlagentechnologie orientiert sich entlang gängiger Konstruktionsrichtlinien.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Ausgangslage der Dissertation ist der Bedarf an kostengünstigen Carbonfasern (Zielpreis: 5 - 12 ?/kg) für die Automobilindustrie mit bestimmten Anforderungen an die Carbonfasereigenschaften (Festigkeit: 1.730 - 2.800 MPa, E-Modul: 155 - 190 GPa). Ziel der Arbeit ist die Umsetzung einer Möglichkeit zur Kostenreduktion und Erreichung der geforderten Carbonfasereigenschaften. Die Hypothese der Arbeit besteht darin, dass dieses dadurch zu erreichen ist, in dem das alternative Precursormaterial Polyethylen im Schmelzspinnprozess ausgesponnen, kontinuierlich thermochemisch stabilisiert und anschließend kontinuierlich carbonisiert wird.
Der Ansatz besteht darin, PE-basierte Precursoren zu entwickeln, die für die thermochemische Stabilisierung geeignet sind, damit diese zu Carbonfasern konvertiert werden können. Es werden Anforderungen an die Precursoren definiert. Anforderungen sind Einzelfilamentdurchmesser, Kristallinität, Orientierung, mechanischen Kennwerte und Schrumpf. Im Rahmen der Arbeit wurde über den Durchlauf mehrerer Entwicklungszyklen ein industrieller Schmelzspinnprozess entwickelt, mit dem die Herstellung von polyethylenbasierten Precursoren möglich ist, die eine vollständige thermochemische Sulfonierung erlauben. Abschließend werden die stabilisierten Precursoren kontinuierlich carbonisiert. Die erreichten Eigenschaften der Carbonfasern liegen im Bereich der geforderten Eigenschaften der Automobilindustrie. Über eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde ein Preis von 9,40 ?/kg ermittelt. Festgehalten werden kann, dass über die Verwendung von Polyethylen als Precursormaterial eine kostengünstige Herstellung von Carbonfasern erfolgen kann.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Aufgrund steigender Energie- und Rohstoffkosten geweinnt der Leichtbau zunehmend an Bedeutung. Dabei wird der Ersatz traditioneller Werkstoffe, z.B. Stahl, durch Carbonfaser-(CF-)verstärkte Strukturbauteile immer wichtiger, da diese sehr hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringem Gewicht aufweisen, wodurch sich ein großes Energieiensprungspotential ergibt. Der Bedarf an CF wird bis 2020 voraussichtlich um 70 % im Vergleich zu 2015 steigen und besteht v.a. in der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Verteidigungsindustrie, beim Bau von Windkraftanlagen und bei der Herstellung von Sport- und Freizeitartikeln.
Aktualisiert: 2019-06-18
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Der Titel beschreibt die Herstellung und Eigenschaften von Carbonfasern und den daraus produzierten komplexen Faserverbundsystemen. Anhand ausgewählter Beispiele werden die bedeutenden Anwendungsfelder vorgestellt. Ein Ausblick prognostiziert die Marktentwicklung.
Aktualisiert: 2021-03-16
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