Gewebe

Eingesetztes Material für Faserverbundbauteile

An dieser Stelle erfolgt eine Auflistung der Materialien und deren Parameter, welche für den Einsatz von Faserverbundbauteilen verwendet werden sollen. Aufgrund der unterschiedlichen Bauteile wird an dieser Stelle ein Zusammenzug von Gewebe und Gelegen geführt.

Im Wesentlichen handelt es sich hier nur um eine Zusammenfassung der Materialangaben aus dem R&G Katalog bzw. den verfügbaren Handbüchern.

Als erstes erfolgt eine Auflistung der Materialien und deren Einsatzgebiet.


Glasfaser ist als Basiswerkstoff für Faserverbundbauteile eingesetzt und zeichnet sich in Verbindung mit Epoxidmatrix als glasfaserverstärkter Kunststoff, kurz GFK gegenüber organischen Baumaterialien durch hervorragende Verarbeitungs- und Festigkeitsvorteilen aus.

Dichte: ρGlas = 2.6 g/cm3

Analog zu den Glasfasern werden diese in einem weiteren Arbeitsschritt zu Kohlefasern verarbeitet, welche sich ebenso in Verbindung mit Epoxidmatrix als kohlefaserverstärkter Kunststoff, kurz CFK verarbeiten lassen. Gegenüber GFK weist das CFK erhöhte Steifigkeit und Festigkeitswerte auf bei geringerem Gewicht. Leider zeigt sich hier der Preisnachteil frapant und auch die Anisotropie bezüglich Zug und Druck sind bei GFK unter Umständen interessanter :-)

Dichte: ρCarbon = 1.78 g/cm3

Aramidgewebe wird in Verbindung mit Epoxidmatrix als aramidverstärktem Kunststoff, kurz AFK verarbeitet und eingesetzt, wenn hohe Schlagfestigkeit bei geringem Gewicht erforderlich ist.

Dichte: ρAramid = 1.45 g/cm3

Abreissgewebe besteht aus Nylon und dient einerseits der Verarbeitungshilfe oder auch als Scharniermaterial, wozu sich auch Aramid anbietet.

Dichte: ρNylon = 1.14 g/cm3

Konfektionierungsarten

Die beschrieben Fasern werden sowohl als Gewebe, als auch als Gelege oder als Rovings verarbeiten. Hierzu werden kurz die unterschiedlichen Angebote und deren Einsatz beschrieben.

Leinwand-Gewebe

Abbildung 287: Leinwand-Gewebe (Bildquellen R&G)

Leinwand-Gewebe ist vor allem für flächige Bauteile (z.B. Flügel und Leitwerke) geeignet und zeichnet sich in Faserverbundteilen durch eine sehr homogene Oberfläche ab. Hier ist die Schiebefestigkeit neben den feinen erhältlichen Grammaturen von Interesse.

Köper-Gewebe werden immer dort eingesetzt, wo kleine Radien notwendig sind (z.B. im Rumpfbau). Köperbindungen gibt es in verschiedenen Arten und beginnt mit dem Doppelschuss. Darüberhinaus sind die Druckaufnahme und die Ermüdungsverhalten deutlich besser als bei Leinwand-Gewebe.

Köper-Gewebe (Doppelschuss)

Abbildung 288: Köper-Gewebe (Doppelschuss) (Bildquellen R&G)

Unidirektionales Gewebe

Abbildung 289: Unidirektionales Gewebe (Bildquellen R&G)

Unidirektionale Gelege werden überall dort eingesetzt, wo die Kraft hauptsächlich in eine Richtung wirken (z.B. Holmgurten). Somit können die entsprechenden Faserkennwerte optimal genutzt werden. Der Faservolumenanteil f ist bei Unidirektionalen Gelegen höher als bei Geweben und kann bis zu 70% erreichen.

Biaxiale Gelege sind entsprechende Gelege bestehend aus zwei Faserrichtungen und werden dort eingesetzt, wo die Kräfte in einem entsprechenden Winkel zueinander auftreten (z.B. Holmstegbeschichtungen oder zur Aufnahme der Torsionskräfte in den Flügelschalen).

Biaxiales Gewebe

Abbildung 290: Biaxiales Gewebe (Bildquellen R&G)

Spread Tow Gewebe

Abbildung 291: Spread Tow Gewebe (Bildquellen R&G)

Spread Tow Gewebe vereinen die guten Eigenschaften von unidirktionalen Gelegen mit der biaxialen Auslegung mit geringer Materialstärke und erhöhen somit die Festigkeitseigenschaften deutlich gegenüber den Leinwand-Geweben. Durch die höhere Streckung der fasern sind annähernd so hohe Faservolumenanteil f, wie bei unidirektionalen Geweben erreichbar. Typisches Einsatzgebiet sind Aussenlagen von Flügeln und Leitwerken.

Gewebebänder eignen sich sowohl zur Verstärkung oder aber auch als Scharnierbänder bzw. als alternative zu Geweben bei grosser Länge und geringer Breite (z.B. Querruder Scharnier)

Gewebeband

Abbildung 292: Gewebeband (Bildquellen Händler)

Geflechtschlauch

Abbildung 293: Geflechtschlauch (Bildquellen Händler)


Geflechtschläuche eigenen sich hervorragend zum Aufbau von Hohlträgern wie Flächenverbinder, Verbindertaschen oder Rohrholmen mit entsprechend bidirektionalen Eigenschaften.

Als Basis sämtlicher Gewebe dienen die Rovings als gleichgerichteter Verbund von Fasern. Diese können auch separat zu Bauteilen gewickelt werden (z.B. Tanks) oder als unidirektionale Verstärkungsstränge eingesetzt werden (z.B. Verstärkung an der Kabinenöffnung). Der Fasernanteil von Rovings wird in tex angegeben und beschreibt das Gewicht in g pro Kilometer Länge. Alternativ wird die Feinheit der Garne in K angegeben wobei 1 K = 67 tex. Abhängig von der Dichte ρ des verwendeten Materials lassen sich damit die Anzahl Fasern bzw. der erreichbare Querschnitt ermitteln.

Materialeigenschaften

Faserverbundwerkstoffe weisen im Gegensatz zu organischen Materialien, wie Stahl oder Aluminium, richtungsabhängige Materialeigenschaften auf (anisotropes Verhalten). Diese Gegebenheit muss bei der Auslegung von Werkstücken entsprechend berücksichtigt werden.

Bei gezieltem Einsatz können die richtungsabhängigen Eigenschaften, wie bereits bei den Konfektionierungsarten beschrieben, genutzt werden. Die wichtigsten Kenngrössen sind Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Torsionsfestigkeit.

Diese Kenngrössen sind sowohl von den Eigenschaften und der Anzahl der verwendeten Fasern, von der Konfektionierung und auch von der Verarbeitung abhängig. Dies alles im Detail zu Beschreiben ist sehr aufwendig und nicht meine Absicht. Daher sind die jeweiligen Eigenschaften entsprechend dem Einsatz richtig abzuwägen. Für die Erstellung des angestrebten Hangflugmodells stehen folgende Beurteilungskriterien im Vordergrund:

  • Steifigkeit
  • Festigkeit
  • Gewicht
  • Preis
  • Wandstärken

Aus diesem Grund haben hierzu die Anbieter entsprechende Vorarbeit geleistet und unterschiedliche Konfektionen zu Faservebundbauteilen verarbeitet und anschliessend geprüft. Diese Informationen werden im Anschluss aufgeführt. Für die Verarbeitung als Handlaminat kann von einem Faservolumenanteil von 35% ausgegangen werden, einzig bei der Erstellung von Holmen mit unidirektionalen Gelegen wird ein Faservolumenanteil von 45% angenommen 1). Nachfolgende Tabelle soll als Referenz für die Aufbauten genutzt werden:

a) Referenz

b) Faser-Flächengewicht [g/ m2]

c) Konfektionierungsart

d) Material

e) Harzverbrauch [g/m2]

f) Laminatdicke [mm] (Achtung 1))

g) Laminatgewicht [g/m2]

h) Bestellnummer (Suter Kunstoffe bzw R&G)

i) Referenzpreis in [CHF/m]

k) Anmerkung

Zur Bestimmung der Laminatdicke d (f) kann auch folgende Formel genutzt werden:

(1) d = (n *q) / (ρ * f * 1000); Laminatdicke [mm]

n; Anzahl Gewebelagen

q; Flächengewicht des Gewebes (b) [g/m2]

ρ; Dichte der verwendeten Faser (d) [g/cm3]

f; Faservolumenanteil (Standard 35%, Ausnahme Holme 45%1))

Auf diese Angaben wird nun im Folgenden referenziert, wenn es um die Bestimmung der Harzmenge des Gewichtes oder die Schichtdicke in der Konstruktion geht.

Festigkeitsangaben

Damit Festigkeitsberechnungen durchgeführt werden können müssen auch einige Materialeigenschaften der Faserverbundwerkstoffe bekannt sein. Nachfolgende Werte von Testmaterialien sind Zusammengetragen aus den Daten von R&G und dienen als Referenz. Geringfügige Abweichung bei der realen Umsetzung sind zu erwarten.

Nachfolgende Eigenschaften von Glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) und Kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) basieren auf den oben genannten Faservolumenanteilen f und sind richtungsabhängig.

Unidirektionale (UD) Laminate

Gewebe-Laminate