Das Ziel dieser Arbeit ist das Abschätzen der Möglichkeiten einer neuen Werkstoffkombination, die darauf basiert, die allgemein gültige Gradlinigkeit von Fasern im FKV durch eine gewollte Welligkeit zu ersetzen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Vorgehensweise
2 Grundlagen der N-FKV
2.1 Endlosfaserverstärkte Kunststoffe
2.1.1 Steife Matrices für FKV
2.1.2 Nachgiebige Matrices für FKV
2.1.3 Anwendungen von nachgiebigen FKV
2.2 Faserwelligkeit in biologischen Geweben
2.2.1 Natürliche Sehnen
2.2.2 Künstliche Sehnen
2.3 Faserwelligkeit in technischen Strukturen
2.3.1 2D Umlenkung von Faserverstärkungen
2.3.2 3D Umlenkung von Faserverstärkungen
2.3.3 Ein rheologisches Modell für N-FKV
2.3.4 Vergleich und Bewertung von Herstellungsverfahren für N-FKV
3 Untersuchungen flächiger N-FKV
3.1 Verwendete Werkstoffkomponenten für flächige N-FKV
3.2 Versuchsaufbau und Durchführung
3.3 Mechanische Eigenschaften verstärkter Polyesterharze
3.4 Mechanische Eigenschaften von flächigen N-FKV
3.4.1 Einfluss der Welligkeit auf die mechanischen Eigenschaften
3.4.2 Einfluss des Halbzeuges auf die mechanischen Eigenschaften
3.4.3 Die Interaktion welliger benachbarter Lagen in N-FKV
3.4.4 Dynamische Versuche an flächigen N-FKV
3.5 Spannungsoptische Versuche und Finite-Element-Analysen von flächigen N-FKV
3.5.1 Spannungsoptische Versuche
3.5.2 Finite-Element-Analysen
3.6 Andere nicht geradlinige flächige Faserverstärkungen in N-FKV
3.7 Diskussion der Untersuchungen von flächigen N-FKV
4 Untersuchungen seilförmiger N-FKV
4.1 Werkstoffkomponenten für seilförmige N-FKV
4.2 Versuchsaufbau und Durchführung
4.3 Gedrillte und geflochtene E-Glas Rovings in nachgiebigen Matrices
4.4 Geflochtene Kohlenstofffaser Rovings in einer nachgiebigen Silikonmatrix
4.5 Helixförmige Kohlenstofffaser Rovings in einer nachgiebigen Silikonmatrix
4.6 Diskussion der Untersuchungen von seilförmigen N-FKV
5 Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Zusammenfassung
5.2 Ausblick
6 Summary
7 Formelzeichen und Abkürzungen
7.1 Formelzeichen
7.2 Indizes
7.3 Abkürzungen
8 Literaturverzeichnis
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung einer neuartigen Werkstoffkombination, bei der die normalerweise geradlinigen Fasern in faserverstärkten Kunststoffen (FKV) durch eine gezielte Welligkeit ersetzt und in eine nachgiebige Polymermatrix (z. B. Polyurethan) eingebettet werden, um ein progressives, den biologischen Geweben ähnliches Dehnungsverhalten und eine höhere maximale Dehnbarkeit zu erreichen.
- Analyse und Optimierung von Faserwelligkeit in nachgiebigen Kunststoffmatrices.
- Experimentelle Untersuchungen von flächigen und seilförmigen Verbundstrukturen (N-FKV).
- Entwicklung von Fertigungsverfahren zur reproduzierbaren Erzeugung von Faserwelligkeit.
- Numerische Simulation mittels Finite-Element-Analyse (FEA) und spannungsoptische Verifikation.
- Bewertung des Potentials der N-FKV als Biomaterialien oder adaptive Federelemente.
Auszug aus dem Buch
1.1 Problemstellung
Ausgehend von Anregungen aus der Bionik wurde die Anwendung von nachgiebigen Kunststoffen als Matrix für flexible faserverstärkte Polymere bisher nur ansatzweise untersucht. Genauere Untersuchungen zur Verwendung von Polyurethan und Silikon als Matrix waren meist anwendungsbezogen oder bezogen sich auf Elastomere allgemein, siehe [GaB97] und [Kos00]. Andere Untersuchungen beschäftigten sich mit der Faserwelligkeit, doch zumeist mit 3D Auslenkung (nicht in der Laminatebene gewellt) [HWD94], [CSD01], [ChT87]. Auch der Einfluss der Welligkeit von Gewebeverstärkungen [CoF97], [WKL02], der Beeinträchtigung der Eigenschaften durch Vernähen [KFL01], [CoF97] und der nummerischen Analyse der Welligkeit von Verstärkungsfasern im FKV [AKU04] wurden betrachtet. Arbeiten zur Herstellung und Analyse von 2D Faserwelligkeit (Auslenkung in der Laminatebene) und vor allem die Kombination von stark ausgelenkten Fasern und einer nachgiebigen Polymer Matrix findet sich in der Literatur wenig, [KTC88]. Außerdem wurden die Möglichkeiten der gezielten Faserauslenkung bisher nicht umfassend dargestellt und auch nicht positiv bewertet. Des weiteren fehlt die systematische Betrachtung der Verwendbarkeit gängiger FKV Halbzeuge zur Herstellung von flächigen und seilförmigen Nachgiebigen Faser-Kunststoff-Verbunden (N-FKV) und auch Fertigungskonzepte sind nicht beschrieben. Die Auswirkungen der Faserwelligkeit wurden von Kuo et. al. [KTC88] mittels spannungsoptischer Verfahren dargestellt, aber eine Untersuchung einzelner welliger Fasern mit verschiedenen Geometrien wurde nicht durchgeführt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Motivation zur Entwicklung von nachgiebigen Faser-Kunststoff-Verbunden, ausgehend von bionischen Vorbildern und bestehenden Herausforderungen in der FKV-Technologie.
2 Grundlagen der N-FKV: Erläutert die theoretischen Grundlagen der Faserwelligkeit in biologischen und technischen Strukturen sowie rheologische Modelle zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens.
3 Untersuchungen flächiger N-FKV: Detaillierte Darstellung der Fertigungsversuche und mechanischen Charakterisierung von flächigen, nachgiebigen Verbundwerkstoffen mittels statischer und dynamischer Tests sowie numerischer Analysen.
4 Untersuchungen seilförmiger N-FKV: Untersuchung der Herstellung und Eigenschaften eindimensionaler, seilförmiger Strukturen durch Verdrehen, Flechten und helixförmiges Wickeln von Rovings in nachgiebigen Matrices.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der erzielten Ergebnisse hinsichtlich Materialverhalten und Fertigungsverfahren sowie Aufzeigen zukünftiger Forschungsmöglichkeiten.
6 Summary: Zusammenfassung der Arbeit in englischer Sprache.
7 Formelzeichen und Abkürzungen: Auflistung der verwendeten physikalischen Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen.
8 Literaturverzeichnis: Umfassendes Verzeichnis der in der Dissertation zitierten Quellen.
Schlüsselwörter
FKV, Nachgiebigkeit, Faserwelligkeit, Polyurethan, Silikon, Faser-Kunststoff-Verbund, Sehnennachbildung, Materialmodellierung, Spannungsoptik, Faserverstärkung, Finite-Element-Analyse, Biegefestigkeit, progressive Steifigkeit, Verbundwerkstoffe, Bionik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht die Entwicklung und das Verhalten von neuartigen "nachgiebigen Faser-Kunststoff-Verbunden" (N-FKV), bei denen Fasern gezielt gewellt in eine elastische Polymermatrix eingebettet werden.
Welche zentralen Themenfelder deckt die Forschung ab?
Die Arbeit deckt die Fertigungsmethodik für definierte Faserwelligkeit, die mechanische Materialcharakterisierung, die analytische Berechnung des Dehnungsverhaltens sowie die spannungsoptische Analyse der Faser-Matrix-Interaktion ab.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist der Nachweis, dass durch gezielte Faserwelligkeit und eine nachgiebige Matrix ein progressives, sehnenähnliches Materialverhalten mit hoher Dehnbarkeit und dennoch ausreichender Festigkeit realisiert werden kann.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zur Anwendung?
Es werden experimentelle Zugversuche, Fertigungsverfahren für Faserhalbzeuge, die Finite-Element-Methode (FEA) zur Simulation sowie die experimentelle Spannungsoptik zur Analyse von Spannungsfeldern angewandt.
Was wird im Hauptteil der Dissertation behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Untersuchung flächiger N-FKV unter Verwendung von Geweben und Gelegen sowie die Untersuchung seilförmiger Strukturen durch Verdreh- und Flechtprozesse von Fasern.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit am besten?
Zu den wichtigsten Begriffen gehören FKV, Nachgiebigkeit, Faserwelligkeit, Polyurethan, Spannungsoptik sowie Finite-Element-Analyse.
Welche Herausforderungen bei der Krafteinleitung werden identifiziert?
Eine zentrale Herausforderung ist das vorzeitige Versagen an den Einspannstellen aufgrund hoher lokaler Spannungen; dies kann durch das Ausschneiden der Proben oder einen geraden Faserverlauf im Klemmbereich minimiert werden.
Welche Bedeutung hat die "J-Kurve" im Kontext der Arbeit?
Die J-Kurve bezeichnet den nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Verlauf natürlicher Sehnen, den der Autor mit den entwickelten N-FKV-Werkstoffen erfolgreich nachbilden möchte.
- Quote paper
- Dr.-Ing. Jan Brökel (Author), 2008, Untersuchungen zum Einfluss gezielt nicht geradlinig eingebrachter Faserverstärkungen auf die mechanischen Eigenschaften einer nachgiebigen Polymermatrix, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/114916
