Die Auswahl an Rohstoffen für Verbundwerkstoffe ist groß, darunter Harze, Fasern und Kernmaterialien. Jedes Material verfügt über einzigartige Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit und thermische Stabilität, wobei Kosten und Erträge variieren. Die endgültige Leistung eines Verbundwerkstoffs hängt jedoch nicht nur von der Harzmatrix und den Fasern (sowie dem Kernmaterial in einer Sandwichstruktur) ab, sondern auch eng mit der Konstruktionsmethode und dem Herstellungsprozess der Materialien in der Struktur. In diesem Artikel stellen wir die gängigen Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffe, die wichtigsten Einflussfaktoren der einzelnen Verfahren und die Auswahl der Rohstoffe für verschiedene Verfahren vor.
Spritzformen
1. Verfahrensbeschreibung: Das kurzgeschnittene Faserverstärkungsmaterial und das Harzsystem werden gleichzeitig in die Form gesprüht und dann unter atmosphärischem Druck in einem Formprozess zu duroplastischen Verbundprodukten ausgehärtet.
2. Materialauswahl:
Harz: hauptsächlich Polyester
Faser: grobes Glasfasergarn
Kernmaterial: keines, muss nur mit Sperrholz kombiniert werden
3. Hauptvorteile:
1) Lange Geschichte der Handwerkskunst
2) Kostengünstiges, schnelles Auflegen von Fasern und Harz
3) Niedrige Formkosten
4, die Hauptnachteile:
1) Das Sperrholz ist leicht zu bilden Harz-reiche Fläche, hohes Gewicht
2) Es können nur kurzgeschnittene Fasern verwendet werden, was die mechanischen Eigenschaften von Sperrholz stark einschränkt.
3) Um das Sprühen zu erleichtern, muss die Harzviskosität niedrig genug sein, da sonst die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Verbundmaterials verloren gehen.
4) Durch den hohen Styrolgehalt des Sprühharzes besteht ein hohes Gefährdungspotential für den Bediener und durch die niedrige Viskosität kann das Harz leicht in die Arbeitskleidung des Mitarbeiters eindringen und in direkten Kontakt mit der Haut kommen.
5) Die Konzentration von flüchtigem Styrol in der Luft ist schwer zu erfüllen.
5. Typische Anwendungen:
Einfache Zäune, Strukturplatten mit geringer Belastung wie Cabriokarosserien, LKW-Verkleidungen, Badewannen und kleine Boote.
Handlaminat-Formen
1. Methodenbeschreibung: Das Harz wird manuell in die Fasern eingebracht. Die Fasern können gewebt, geflochten, genäht oder verklebt werden oder es können andere Verstärkungsmethoden angewendet werden. Das Handlaminieren erfolgt üblicherweise mit Walzen oder Bürsten. Anschließend wird das Harz mit einer Leimrolle zusammengedrückt, damit es in die Fasern eindringt. Das Sperrholz wird zum Aushärten unter Normaldruck gesetzt.
2. Materialauswahl:
Harz: keine Anforderung, Epoxid-, Polyester-, Polyethylen-basierte Ester- und Phenolharze sind verfügbar
Faser: keine Anforderungen, aber das Grundgewicht der größeren Aramidfaser ist schwierig, die handgelegte
Kernmaterial: keine Anforderung
3, die wichtigsten Vorteile:
1) Lange Technologiegeschichte
2) Leicht zu erlernen
3) niedrige Formkosten bei Verwendung von bei Raumtemperatur aushärtendem Harz
4) Große Auswahl an Materialien und Lieferanten
5) Hoher Fasergehalt, längere Fasern als beim Sprühverfahren
4. Hauptnachteile:
1) Harzmischung, Laminatharzgehalt und Qualität hängen eng mit der Kompetenz des Bedieners zusammen. Es ist schwierig, einen niedrigen Harzgehalt und eine geringe Porosität des Laminats zu erreichen
2) Gesundheits- und Sicherheitsrisiken durch Harz: Je niedriger das Molekulargewicht des Handlaminierharzes, desto größer ist die potenzielle Gesundheitsgefährdung. Je niedriger die Viskosität, desto wahrscheinlicher ist es, dass das Harz in die Arbeitskleidung der Mitarbeiter eindringt und somit in direkten Kontakt mit der Haut kommt.
3) Wenn keine gute Belüftung installiert ist, ist die Konzentration von Styrol, das aus Polyester- und Polyethylen-basierten Estern in die Luft verdunstet, schwer zu erfüllen, um die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen
4) Die Viskosität des Handpastenharzes muss sehr niedrig sein, daher muss der Gehalt an Styrol oder anderen Lösungsmitteln hoch sein, wodurch die mechanischen/thermischen Eigenschaften des Verbundmaterials verloren gehen.
5) Typische Anwendungen: Standard-Windturbinenblätter, in Massenproduktion hergestellte Boote, Architekturmodelle.
Vakuumverpackungsprozess
1. Methodenbeschreibung: Der Vakuumverpackungsprozess ist eine Erweiterung des oben beschriebenen Handlaminierprozesses, d. h., durch Aufsiegeln einer Schicht Kunststofffolie auf der Form wird Sperrholz mit einem Handlaminiervakuum aufgelegt, wobei ein atmosphärischer Druck auf das Sperrholz ausgeübt wird, um den Effekt des Absaugens und Festziehens zu erzielen und so die Qualität des Verbundmaterials zu verbessern.
2. Materialauswahl:
Harz: hauptsächlich Epoxid- und Phenolharze, Polyester und Polyethylen-basierte Ester sind nicht anwendbar, da sie Styrol enthalten, Verflüchtigung in der Vakuumpumpe
Faser: keine Voraussetzung, auch wenn das Grundgewicht der größeren Fasern unter Druck infiltriert werden kann
Kernmaterial: keine Anforderung
3. Hauptvorteile:
1) Es kann ein höherer Fasergehalt als beim herkömmlichen Handlaminierverfahren erreicht werden
2) Die Porenzahl ist niedriger als beim Standard-Handlaminierverfahren.
3) Unter Unterdruck fließt das Harz ausreichend, um den Grad der Faserinfiltration zu verbessern. Natürlich wird ein Teil des Harzes von den Vakuumverbrauchsmaterialien absorbiert
4) Gesundheit und Sicherheit: Durch das Vakuumverpacken kann die Freisetzung flüchtiger Stoffe während des Aushärtungsprozesses reduziert werden
4. Hauptnachteile:
1) Ein zusätzlicher Prozess erhöht die Kosten für Arbeit und Einweg-Vakuumbeutelmaterial
2) Höhere Qualifikationsanforderungen an die Bediener
3) Das Mischen des Harzes und die Kontrolle des Harzgehalts hängen weitgehend von der Kompetenz des Bedieners ab
4) Obwohl Vakuumbeutel die Freisetzung flüchtiger Stoffe reduzieren, ist das Gesundheitsrisiko für den Bediener immer noch höher als beim Infusions- oder Prepreg-Verfahren
5. Typische Anwendungen: große Yachten in limitierter Auflage, Rennwagenteile, Schiffbauprozess der Kernmaterialverklebung.
Wickelformung
1. Verfahrensbeschreibung: Das Wickelverfahren dient grundsätzlich der Herstellung hohler, runder oder ovaler Bauteile wie Rohre und Tröge. Faserbündel werden mit Harz getränkt und anschließend in verschiedenen Richtungen auf einen Dorn gewickelt. Die Steuerung des Prozesses erfolgt über die Wickelmaschine und die Dorngeschwindigkeit.
2. Materialauswahl:
Harz: keine Anforderung, wie Epoxid, Polyester, Ester auf Polyethylenbasis und Phenolharz usw.
Faser: keine Anforderungen, direkte Verwendung von Faserbündeln des Spulenrahmens, kein Weben oder Nähen in das Fasertuch eingewebt
Kernmaterial: keine Vorgabe, die Außenhaut besteht jedoch meist aus einem einschichtigen Verbundmaterial
3. Die wichtigsten Vorteile:
(1) Schnelle Produktionsgeschwindigkeit, ist eine wirtschaftliche und vernünftige Art der Laminierung
(2) Der Harzgehalt kann durch Messen der Harzmenge kontrolliert werden, die von den Faserbündeln transportiert wird, die durch die Harznut verlaufen.
(3) Minimierte Faserkosten, kein Zwischenwebprozess
(4) hervorragende strukturelle Leistung, da die linearen Faserbündel entlang der verschiedenen Lasttragrichtungen verlegt werden können
4. Hauptnachteile:
(1) Das Verfahren ist auf runde Hohlkörper beschränkt.
(2) Fasern lassen sich nicht einfach und genau entlang der axialen Richtung der Komponente anordnen
(3) Höhere Kosten für das Dornformpressen bei großen Strukturteilen
(4) Die Außenfläche der Struktur ist keine Formoberfläche, daher ist die Ästhetik schlechter
(5) Bei der Verwendung von Harzen mit niedriger Viskosität müssen die mechanischen Eigenschaften sowie die Gesundheits- und Sicherheitsleistung berücksichtigt werden
Typische Anwendungen: Lagertanks und -rohre für Chemikalien, Zylinder, Atemschutztanks für Feuerwehrleute.
Pultrusionsformen
1. Verfahrensbeschreibung: Das mit Klebstoff getränkte Faserbündel wird vom Spulenhalter durch eine Heizplatte gezogen. In der Heizplatte wird die Harzinfiltration der Fasern abgeschlossen und der Harzgehalt kontrolliert. Schließlich härtet das Material in die gewünschte Form aus. Das ausgehärtete Produkt wird in dieser fixierten Form mechanisch in verschiedene Längen geschnitten. Die Fasern können die Heizplatte auch in anderen Richtungen als 0 Grad betreten. Extrusion und Streckformen sind kontinuierliche Herstellungsverfahren, und der Querschnitt des Produkts hat normalerweise eine feste Form, die leichte Abweichungen zulässt. Das vorbefeuchtete Material wird durch die Heizplatte geführt, in die Form verteilt und härtet dort sofort aus. Obwohl ein solcher Prozess weniger kontinuierlich ist, kann er dennoch eine Veränderung der Querschnittsform bewirken.
2. Materialauswahl:
Harz: normalerweise Epoxid-, Polyester-, Polyethylen-basiertes Ester- und Phenolharz usw.
Faser: keine Voraussetzung
Kernmaterial: nicht häufig verwendet
3. Hauptvorteile:
(1) Schnelle Produktionsgeschwindigkeit, ist eine wirtschaftliche und vernünftige Art der Vorbenetzung und Aushärtung von Materialien
(2) präzise Kontrolle des Harzgehalts
(3) Minimierung der Faserkosten, kein Zwischenwebprozess
(4) ausgezeichnete strukturelle Eigenschaften, da die Faserbündel in geraden Linien angeordnet sind, ist der Faservolumenanteil hoch
(5) Der Faserinfiltrationsbereich kann vollständig versiegelt werden, um die Freisetzung flüchtiger Stoffe zu reduzieren
4. Die Hauptnachteile:
(1) Der Prozess begrenzt die Form des Querschnitts
(2) Höhere Kosten für die Heizplatte
5. Typische Anwendungen: Balken und Fachwerke von Wohnstrukturen, Brücken, Leitern und Zäunen.
Resin Transfer Molding Verfahren (RTM)
1. Beschreibung der Methode: Trockene Fasern werden in die untere Form gelegt. Diese kann unter Druck gesetzt werden, um die Fasern optimal an die Form anzupassen und sie haftend zu verbinden. Anschließend wird die obere Form auf der unteren Form befestigt, um einen Hohlraum zu bilden. Anschließend wird das Harz in den Hohlraum injiziert. Üblicherweise wird die vakuumunterstützte Harzinjektion und -infiltration der Fasern, bekannt als Vacuum-Assisted Resin Injection (VARI), verwendet. Nach Abschluss der Faserinfiltration wird das Harzzufuhrventil geschlossen und der Verbundwerkstoff ausgehärtet. Die Harzinjektion und -aushärtung kann entweder bei Raumtemperatur oder unter Wärmeeinwirkung erfolgen.
2. Materialauswahl:
Harz: normalerweise Epoxid-, Polyester-, Polyvinylester- und Phenolharz, Bismaleimidharz kann bei hohen Temperaturen verwendet werden
Faser: keine Voraussetzung. Genähte Fasern eignen sich besser für diesen Prozess, da der Abstand zwischen den Faserbündeln den Harztransfer fördert; es gibt speziell entwickelte Fasern, die den Harzfluss fördern können
Kernmaterial: Zellschaum ist nicht geeignet, da die Wabenzellen mit Harz gefüllt werden und der Druck außerdem zum Kollabieren des Schaums führt.
3. Die wichtigsten Vorteile:
(1) Höherer Faservolumenanteil, geringe Porosität
(2) Gesundheit und Sicherheit, saubere und ordentliche Betriebsumgebung, da das Harz vollständig versiegelt ist.
(3) Reduzieren Sie den Einsatz von Arbeitskräften
(4) Die Ober- und Unterseite der Bauteile sind geformte Oberflächen, die eine anschließende Oberflächenbehandlung erleichtern.
4. Hauptnachteile:
(1) Die verwendeten Formen sind teuer, schwer und relativ sperrig, um dem höheren Druck standzuhalten.
(2) beschränkt auf die Herstellung von Kleinteilen
(3) Es können leicht unbenetzte Bereiche entstehen, die zu einer großen Menge an Ausschuss führen
5. Typische Anwendungen: kleine und komplexe Space-Shuttle- und Autoteile, Zugsitze.
Beitragszeit: 08.08.2024
