Untersuchung des Einsatzvermögens von Kohlenstofffaser-Epoxid-Verbunden in technischen Federn

Abstract

Kohlenstofffaser-Epoxid-Verbunde (CFK) haben in vielen Anwendungen die Vorteile der Werkstoffklasse gezeigt. Speziell wenn es um Leichtbau und mechanische Hochleistung geht, wird dieser Faser-Kunststoff-Verbund in unterschiedlichen Branchen eingesetzt. Dabei sind jedoch noch keine Großserienanwendungen in technischen Federn umgesetzt, obwohl die Werkstoffklasse als hochbelastbar gilt. Standardkonstruktionselemente wie die technische Feder mit dieser Werkstoffklasse zu innovieren, hätte Vorteile für unterschiedlichste Produktgruppen. Dafür spielen die grundlegenden Eigenschaften der Werkstoffkomponenten eine wichtige Rolle. Durch die Kombination aus Fasermaterial und polymerer Bettungsmatrix können zwar leistungsfähige Werkstoffverbunde hergestellt werden, jedoch haben diese verglichen mit isotropen Werkstoffen auch Nachteile. Um die relevanten Zusammenhänge zwischen Bettungsmatrix und Verstärkungsfaser im Verbund für den Einsatz in der technischen Feder zu verstehen, werden die notwendigen Grundlagen zu Federn und Faserverbunden ausgearbeitet. Dies geschieht über Federformen, Belastungsarten und einer Patentrecherche zur Federnherstellung aus Faserverbunden. Der Faserverbundbereich wird über mögliche Fasern und Fasersysteme sowie Matrix und Faser-Matrix-Halbzeuge ausgearbeitet. Die speziellen Herausforderungen in der Auslegung und Konstruktion spielen für die Arbeit genauso eine wichtige Rolle wie die Verarbeitung des Ausgangsmaterials zum Bauteil. Um die Anforderungen an die Fertigungstechnik bewältigen zu können, sind neben etablierten Herstellungsverfahren auch Weiterentwicklungen solcher und neuer Verfahren behandelt. Die Methodik zur Zielerreichung beinhaltet neben der Recherche zum Stand der Technik und des Wissens die mathematische Definition der wichtigsten Ingenieurkonstanten. Die Gestaltungsansätze und Konstruktionen sind mittels 3D-CAD erarbeitet und zur Bewertung der Prototypen und Versuche sind unterschiedliche Messgeräte im Einsatz.Für den Einsatz von CFK in technischen Federn ist das Verhalten bei Dauerbelastungen relevant. Versuche an Kragbalken mit unterschiedlichen Faserorientierungen zeigen den Einfluss der viskoelastischen Matrix und das Verhalten des Verbunds. Die weiterführenden praktischen Versuche an Biegestab-, Spiral-, Schraubendruck- und Tellerfedern dienen einerseits zur Validierung der theoretischen und praktischen Ausarbeitungen und bringen real erreichbare Kennwerte hervor. Damit kann das Einsatzvermögen von CFK in technischen Federn definiert werden. Eine Untersuchung zwischen dem Kohlenstoff- und dem Glasfasereinsatz in der Schraubendruckfeder macht den Einfluss der gewählten Faserart für den Verbund deutlich. Zuletzt sind Vorschläge und Verbesserungsansätze definiert, um das Einsatzvermögen weiter zu untersuchen und die Leistung der Werkstoffklasse in der Anwendung als technische Feder steigern zu können.

Carbon fiber reinforced polymers (CFRP) have shown the advantages of their material class in many applications. CFRP is used in various industries, especially when it comes to lightweight construction and high mechanical performance. However, large series applications in technical springs have not yet been implemented, although the material class is considered to be highly durable. Standard construction elements such as the technical spring made from CFRP would have advantages for a wide variety of product groups. The basic properties of the material components play an important role in this. The combination of fiber material and polymer matrix can produce high-performance material composites, but they also have disadvantages compared to isotropic materials. In order to understand the relevant relationship between matrix and reinforcing fiber in the composite for the use in technical springs, the necessary basics for springs and fiber reinforced polymers are elaborated. This is done with researching spring shapes, load types and a patent search for spring production from fiber reinforced polymers. The investigation of fiber reinforced polymers is elaborated using possible fibers and fiber systems as well as matrix and fiber-matrix semi-finished products. The special challenges in the design and construction play just as important a role in this field as the processing of the raw material into the part. In order to be able to meet the requirements of the production technology, this work includes established production processes and their further developments. In addition to the research into the state of the art and knowledge, the methodology for achieving the goal includes the mathematical definition of the most important engineering constants. The design approaches and constructions are developed using 3D CAD and different measuring devices are used to evaluate the prototypes and tests. The behaviour under continuous loads is relevant for the use of CFRP in technical springs. Tests on cantilever beams with different fiber orientations show the influence of the viscoelastic matrix and the behaviour of the composite. Further practical tests on leaf, spiral, helical compression and disc springs serve to validate the theoretical and practical elaborations and produce key parameters that can be achieved practically. This means that the applicability of CFRP in technical springs can be defined. An investigation of carbon and glass fibers in the helical compression spring shows the influence of the fiber type. Lastly, suggestions and improvement approaches are defined in order to further investigate the applicability and to increase the performance of the material class for the usage in technical springs.