Teil 9  Orientierung in faserverstärkten  Kunststoffen

Inhalt

1. Was ist faserverstärkter Kunststoff?

2. Wie ist die Orientierung von faserverstärkten Kunststoffen?

3. Was ist der Orientierungstensor?

4. Ergebnisformat für die Faserorientierung

5. Zusammenfassung

Was ist faserverstärkter Kunststoff?

Faserverstärkter Kunststoff ist ein Material, das Verstärkungsmaterialien wie Glasfasern enthält, um die mechanische Festigkeit des Harzes zu verbessern und Funktionalität zu verleihen. Es gibt verschiedene Arten von faserigen Verstärkungsmaterialien, die verwendet werden können, wie Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und natürliche Mineralien, und die Art und Menge der Verstärkungsmaterialien werden je nach Zweck, Kosten und Umweltverträglichkeit ausgewählt.

[Beispiele für faserverstärktes Material]

■ Glasfaser (GF)

Harze mit GF verfügen über eine ausgezeichnete Festigkeit und Druckfestigkeit sowie eine verbesserte Dimensionsstabilität.
Anwendungsbeispiele: Autostoßstangen und Türverkleidungen, Schiffsrümpfe, Sportartikel wie Golfschläger und Angelruten usw.

■ Kohlefaser (CF)

CF-haltige Harze sind leicht, weisen eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit auf und bieten eine hohe Steifigkeit. Sie verfügen außerdem über ausgezeichnete Gleiteigenschaften und Abriebfestigkeit. Da sie leitfähig sind, werden sie verwendet, wenn elektrische Eigenschaften erforderlich sind.
Anwendungsbeispiele: Automobile, Luft- und Raumfahrt, Baumaterialien, Sportartikel usw.

■ Aramidfaser (AF)

Harze mit AF sind leicht, robust und haben eine ausgezeichnete Haltbarkeit. Sie sind extrem schlagfest, zäh und abriebfest. Außerdem haben sie einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Im Vergleich zu GF und anderen Materialien sind sie jedoch ein sehr teures Verstärkungsmaterial.
Anwendungsbeispiele: kugelsichere Ausrüstung wie kugelsichere Helme und Panzerungen für Militärfahrzeuge, Autostrukturteile, Fahrradrahmen, Tennisschläger usw.

■ Natürliche Mineralien

Wenn natürliche Mineralien wie hydratisierte Magnesiumsilikatfasern (Sepiolith) und Calciumsilikatfasern (Wollastonit) als Verstärkungsmaterialien verwendet werden, entsteht ein Kunststoff mit hervorragender Hitzebeständigkeit, Abriebfestigkeit usw. Im Vergleich zu GF weist er aufgrund seines kleineren Aspektverhältnisses eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität auf.
Anwendungsbeispiele: Tafelgeschirr, Büroausstattung, Autoteile etc.

Was ist die Orientierung von faserverstärktem Kunststoff?

Da Verstärkungsmaterialien faserig sind, kommt es beim Spritzgießen zu einer Orientierung, die die Materialeigenschaften beeinflusst. Orientierung bedeutet, dass die Fasern in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind. Nicht verstärkte Materialien haben richtungsunabhängige Materialeigenschaften, die als Isotropie bezeichnet werden, während Materialeigenschaften, die sich je nach Richtung ändern, als Anisotropie bezeichnet werden. Im Allgemeinen neigen Kunststoffe, die faserverstärktes Material enthalten, dazu, eine signifikante Anisotropie zu zeigen. Ein Beispiel ist unten dargestellt.

• Mechanische Festigkeit: Festigkeit und Steifigkeit ändern sich je nach Ausrichtung erheblich
• Verzug: Die Fasern werden zurückgehalten, was zu Anisotropie bei Schrumpfung und Verzug führt.
• Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Fasern unterscheidet sich von der des Harzes, daher verändert sich die Wärmeleitfähigkeit je nach Ausrichtung.

 

Daher hat die Ausrichtung einen großen Einfluss auf die Materialeigenschaften. Bei der Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen ist es daher wichtig, die Ausrichtung bereits in der Entwurfsphase zu kennen.

Bei der Spritzgussanalyse kann die Ausrichtung der Fasern analysiert werden. Die Faserausrichtung wird durch Formbedingungen, Materialverhalten sowie Faser-Seitenverhältnis und -Konzentration beeinflusst. Wenn das Verhalten der Fasern im Harz nicht richtig berücksichtigt wird, wird die Ausrichtungsvorhersage weit von der Realität entfernt sein. Daher ist es notwendig, die Eingabebedingungen der Analyse zu überprüfen.

Was ist der Orientierungstensor?

Der Orientierungstensor ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die angibt, in welchem Ausmaß die Fasern in einem dreidimensionalen Koordinatensystem orientiert sind. Je näher der Wert für eine bestimmte Achse bei 1 liegt, desto stärker sind die Fasern entlang dieser Achse ausgerichtet und die Summe der drei Achsenwerte ergibt 1. Mit anderen Worten: Der Faserorientierungstensor enthält Informationen über Richtung und Verhältnis.

In einer dünnen Platte mit einfacher Form sind die Fasern stark in Fließrichtung ausgerichtet. Wenn die Platte dicker wird, neigen die Fasern dazu, in den Oberflächenschichten in Fließrichtung ausgerichtet zu sein, in den mittleren Schichten jedoch eher senkrecht zur Fließrichtung oder zufällig ausgerichtet zu sein, wie in Abbildung 1 dargestellt. Auf diese Weise kann die lokale Orientierungsverteilung mithilfe des Orientierungstensors ausgedrückt werden, dies erfordert jedoch ein genaues Fließmuster.

Ergebnisformat für die Faserorientierung

Die Faserorientierung wird für jedes Teil als Orientierungstensor ausgegeben. Wie oben erwähnt, ist es notwendig, die Faserorientierung zu berücksichtigen, um die Festigkeit des Teils genau vorherzusagen.

■ Beispiel mit einer flachen Platte

Ein Vergleich zwischen den Analyseergebnissen und den tatsächlich gemessenen Werten für eine flache Platte ist in Abbildung 2 dargestellt. Wie in der oberen Abbildung von Abbildung 2 gezeigt, sind die Fasern in den Oberflächenschichten (Vorder- und Rückseite) der Platte überwiegend in Fließrichtung (Richtung der X-Achse) ausgerichtet, während die Fasern in der Mittelschicht (Mitte der Plattendicke) überwiegend in der Richtung senkrecht zur Strömung (Richtung der Y-Achse) ausgerichtet sind, was zu einer unterschiedlichen Faserorientierungsverteilung zwischen den Oberflächen- und Mittelschichten führt.
Darüber hinaus ist es wichtig, zu verstehen, inwieweit das tatsächlich geformte Produkt und die Analyseergebnisse übereinstimmen, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern. Bei diesen Überprüfungen ändern sich die Ergebnisse auch, wenn das Längenverhältnis oder der Fasergehalt geändert wird. Es ist wichtig, Materialdaten für die Analyse des Zielmaterials zu verwenden.

Hier ist ein konkretes Beispiel für die Verwendung der Ergebnisse zur Faserorientierung:

■ Beispiel einer Verzugsanalyse

Auch die Faserorientierung ist bei der Verformungsanalyse wichtig. Die Anisotropie der Harzschrumpfung aufgrund der Orientierung wird für jedes Teil berechnet und der Verformungszustand wird auf Grundlage der Ergebnisse berechnet. Diese sind in die Spritzgussanalysesoftware integriert. Daher ist es bei der Verwendung von faserverstärktem Kunststoff erforderlich, den durch die Faserorientierung verursachten Verformungsgrad zu überprüfen und festzustellen, ob es Probleme mit den Spezifikationen gibt. Eine effektive Möglichkeit, Verformungen zu beheben, besteht darin, das Füllmuster durch Ändern der Angussposition usw. zu ändern.

■ Einsatz in der Strukturanalyse

Je nach Ausrichtung der Fasern werden Festigkeit und Steifigkeit anisotrop. Bei faserverstärkten Kunststoffen ist die Verstärkungswirkung in der Richtung größer, in der die Fasern ausgerichtet sind. Da es zwischen der Fließrichtung der Fasern und der Richtung senkrecht zur Fließrichtung Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften gibt, können die Eigenschaften der Verstärkungsfasern voll ausgenutzt werden, indem bei der Konstruktion darauf geachtet wird, Festigkeit und Steifigkeit in der Richtung zu erzielen, in der Festigkeit besonders gefordert ist.

Im tatsächlich geformten Produkt wird der Orientierungstensor jedes Teils, der durch die Spritzgussanalyse ausgegeben wird, auf ein Modell für die Strukturanalyse abgebildet, und die Analyse wird unter Verwendung der Materialdaten für die Strukturanalyse durchgeführt. Insbesondere werden, wie in Abbildung 3 gezeigt, Festigkeitstests an Teststücken durchgeführt, die in verschiedenen Winkeln aus einer durch Spritzguss erhaltenen flachen Platte geschnitten wurden, und Materialdaten für die Strukturanalyse werden basierend auf der Korrelation mit dem Orientierungstensor erstellt. Dadurch kommt die Strukturanalyse dem Verhalten des tatsächlich geformten Produkts näher und wird im Design verwendet.

Zusammenfassung

Die physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen mit Faserverstärkung ändern sich je nach Faserausrichtung. Während die Verwendung von Faserverstärkung die Festigkeit und Steifigkeit verbessert und durch den Ersatz von Metallen zur Gewichtsreduzierung beiträgt, kann sie auch Probleme wie Verformungen verursachen. Aus diesem Grund müssen Designer und Materialauswähler die Eigenschaften der Faserverstärkung verstehen und Spritzgussanalysen verwenden, um im Voraus Vorhersagen zu treffen und Maßnahmen zu ergreifen, was zu einer verbesserten Designqualität führt.

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