Leichtbau mit Faserverbundwerkstoffen: Enabler für eine neue Generation von Bauweisen

Leichtbau:

Leichtbau ist eine Konstruktionsphilosophie bei der die Gewichtsreduktion im Zentrum des Entwicklungsziels steht, ohne dabei die Anforderungen an Steifigkeit, Festigkeit und funktionaler Integration außer Acht zu lassen.

Ein hoher Leichtbaugrad kann beispielsweise durch eine kraftflussgerechte Auslegung des Bauteils, eine integrale Bauweise, oder den Einsatz von leichtbaugerechten Werkstoffen erreicht werden. Wir nutzen dabei computergestützte FE-Methoden, um den Werkstoffeinsatz zu minimieren oder die Lasttragfähigkeit zu erhöhen. Numerische Parameterstudien und Topologieoptimierungen nutzen wir im Rahmen der systematischen Produktentwicklung, wobei Simulation und Konstruktion Hand in Hand gehen. Durch Prozess- und Drapiersimulation schließen wir die Prozesskette zwischen Fertigung und Bauteileigenschaften.

Konsequent betriebener Leichtbau ermöglicht Anwendungen, bei denen hohe Beschleunigungen bei gleichzeitig hoher Präzision gefragt sind. Ebenfalls öffnet der Leichtbau das Feld für Funktionserweiterungen, Energieeinsparpotenziale und eine Vielzahl an Gestaltungsmöglichkeiten.

Die im Innovationsprozess entstehenden Leichtbau-Produkte sind leicht und leistungsfähig. Sie stellen häufig allein durch ihr Äußeres ein Alleinstellungsmerkmal im Wettbewerb dar und können durch einen überlegenen Nutzen dank zahlreicher Möglichkeiten der Funktionsintegration überzeugen.

Als Werkstoff für Leichtbauanwendungen eignet sich besonders kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK). CFK vereint eine sehr hohe Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Zudem ermöglicht CFK durch einen anforderungsgerechten Laminataufbau sowie entsprechender Modifikationen der Matrix eine Vielzahl an einstellbaren Materialeigenschaften und Möglichkeiten der Funktionsintegration – eine gestalterische Möglichkeit, die wir mit unserem Know-How gezielt nutzen. Aber auch die additive Fertigung spielt für uns in der Entwicklung eine große Rolle: Die Möglichkeiten zur freien Materialverteilung und der Integration von Funktionen bieten enorme Möglichkeiten geometrische Aspekte des Leichtbaus intensiv zu nutzen.

CIKONI bietet Leichtbaulösungen an, die speziell auf Ihre Anwendung zugeschnitten sind. Dabei verfolgen wir einen ganzheitlichen Ansatz für die Projektdurchführung von der Konzeptionsphase über die Konstruktion, Simulation und Fertigung bis zur Auslieferung des fertigen Bauteils. Dabei sind wir bei der Prozessauswahl von Herstellern und Einzeltechnologien unabhängig, wodurch wir für Sie stets die optimale Fertigungsstrategie mit den besten Ergebnissen für Ihr Produkt wählen können.

Faserverbundwerkstoffe:

Funktionsprinzip:

Faser und Matrixwerkstoff bilden im Verbund eine eigene Werkstoffklasse: Die Faserverbundwerkstoffe (Composites). Die mechanischen Eigenschaften werden dabei von der Faser dominiert, während die Matrix als Füllstoff für die Formgebung, Druckübertragung und Krafteinleitung sorgt. Zudem hat die Auswahl der Matrix einen großen Einfluss auf die technischen Eigenschaften des Verbundes. Als technische Parameter sind beispielsweise die elektrischen und chemischen Eigenschaften über die Matrix einstellbar. Matrixwerkstoffe sind meist thermoplastische oder duromere Kunststoffe. Für spezielle Anwendungen können aber auch Metalle oder Keramiken als Matrixwerkstoff genutzt werden.

Viele Faserarten, zum Beispiel auch die Kohlenstofffasern, besitzen ein anisotropes Verhalten. Dies bedeutet, dass die mechanischen Eigenschaften der Faser stark richtungsabhängig sind. Deshalb müssen die Fasern im Verbund entsprechend der Lastrichtung orientiert sein, um die höchste spezifische Steifigkeit und Festigkeit des Bauteils zu erzielen. Die Eigenschaften der Fasern sind darüber hinaus abhängig von der Art und Länge der Fasern, wobei für Hochleistungsverbunde in der Regel Endlosfasern zum Einsatz kommen. Als Verstärkungsfasern für Faserverbundwerkstoffe kommen neben Kohlenstofffasern auch Glas-, Aramid-, Basalt- oder diverse Naturfasern in Frage. Im Verbund wird ein möglichst hoher Faservolumenanteil angestrebt, der je nach gewähltem Fertigungsverfahren jedoch stark variieren kann.

CFK

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) besitzt aufgrund seiner großen Zugfestigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte ein breites Anwendungsfeld im Leichtbau von der Sonderfertigung bis zu Serienbauteilen. Dazu bietet der Einsatz von CFK als Leichtbauwerkstoff eine Vielzahl an Möglichkeiten der Funktionsintegration, um den Produktnutzen zu erhöhen und integrale Fertigungskonzepte oder hochbelastbare Sandwichstrukturen zu verwirklichen. Durch die Substitution von Aluminium durch CFK kann eine Gewichtseinsparung von bis zu 30% und gegenüber Stahl sogar von bis zu 60% erreicht werden, abhängig von der Gestaltung des Laminataufbaus.

Technische Daten C-Faser (in Faserrichtung):

E-Modul Max. Festigkeit Bruchdehnung Wärmeausdehnungs-koeffizient Min. Dichte
230 – 630 GPa 2,7 – 4,9 GPa 0,5 – 2,4 % 0,2 ·10−6 K−1 1,74 g/cm³

 

Mechanische Eigenschaften

  • Geringe Dichte
  • Hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit
  • Geringe Wärmeausdehnung
  • Schwingungsdämpfend
  • Hohe Energieabsorption
  • Gute Ermüdungseigenschaften

Technische Eigenschaften

  • Chemische Beständigkeit
  • Korrosionsbeständigkeit
  • Abschirmung elektromagnetischer Felder
  • Röntgentransparenz
  • Biokompatibilität

Design

  • Hohe Gestaltungsfreiheit
  • Hochwertige Oberflächen
  • Angenehme Haptik

Fertigungsverfahren

Für die Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen existieren eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren. Für eine erfolgreiche Bauteilentwicklung sind daher umfassende Kenntnisse über die Prozesse und deren Randbedingungen elementar wichtig. Die Auswahl des geeigneten Fertigungsverfahrens hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die Bauteilqualität. Nutzen Sie die umfassende und unabhängige Faserverbund-Expertise von CIKONI, um die für Sie geeignete Fertigungsstrategie zu entwickeln.

 

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