Konstruktion und Fertigung von Verbundteilen

Die Verbundwerkstoff-Fertigung unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von der traditionellen Fertigung. Bei der Verbundwerkstoff-Fertigung werden Schichten verschiedener Materialien wie Polymere, Metalle, Keramik und Karbon so in eine Harzmatrix eingebettet, dass ein Material mit spezifischen Eigenschaften entsteht. Bei der traditionellen Fertigung hingegen wird in der Regel ein einzelner Werkstoff durch Formen, Schneiden oder Tiefziehen zu dem gewünschten Produkt verarbeitet. Weitere Unterschiede sind die Materialzusammensetzung, die Materialeigenschaften, die Verarbeitungsmethoden, die Design-Flexibilität, die Flexibilität und Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht, die Kosten und die Produktionsraten.

Als Verbundwerkstoffe im Design werden technische Materialien bezeichnet, die aus zwei oder mehr verschiedenen Komponenten bestehen, welche kombiniert werden, um bestimmte Leistungsmerkmale zu erzielen. Diese Komponenten bestehen in der Regel aus einer Verstärkungsphase (z. B. Fasern oder Partikel) und einer Matrix (i.d.R. ein Polymer oder Harz). Verbundwerkstoffe werden für ihre außerordentliche Flexibilität und Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht, ihre Korrosionsfestigkeit und die maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften geschätzt, die sie in vielen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Energiewirtschaft und in der Sportgeräteherstellung unverzichtbar machen. Durch die strategische Auswahl und gezielte Anordnung von Materialien können Konstrukteure Verbundwerkstoffe mit angepassten Attributen erzeugen, die strukturmechanische Integrität verbessern und das Gewicht reduzieren – kritische Anforderungen in der modernen technischen Entwicklung und Produktentwicklung. Verbundwerkstoffe ermöglichen es Designern, die Grenzen der Innovation und Effizienz auszuloten.

Als Herstellung von Verbundwerkstoffen wird der Prozess der Definition detaillierter Anweisungen für die Herstellung von Verbundteilen bezeichnet, inklusive des Generierens von Kernen sowie von individuellen Flachschichtebenen, Übergängen, Drapierungs- und Stoß-KEs. Neben all diesen Funktionen bietet CDMA zusätzlich Unterstützung für die automatische Schichtbuchgenerierung, nahtlos in die Creo Konstruktionsumgebung integriert. Sie ermöglicht die präzise Steuerung der Materialeigenschaften und damit den Bau solider, langlebiger und vielseitiger Produkte.

Die Wahl des Verbundwerkstoffs hängt von der spezifischen Anwendung und den benötigten Eigenschaften ab, z. B. Festigkeit, Gewicht, Langlebigkeit und Umwelteigenschaften. Ihre Vielseitigkeit macht Verbundwerkstoffe in vielen Branchen unverzichtbar, von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zum Bauwesen und zur Herstellung von Sportgeräten.

• Karbonfaser: Ein hochfestes, leichtes Material aus dünnen Fasern, die hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen bestehen. Diese Fasern werden zu einem Verbundwerkstoff kombiniert, indem sie in eine Polymermatrix eingebettet werden. Verbundwerkstoffe aus Karbonfasern werden für ihre außerordentliche Flexibilität und Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht geschätzt, die sie für Anwendungen, welche Stabilität und ein geringes Gewicht erfordern, ideal machen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Sportgeräteherstellung.
• Kevlar: Eine synthetische Aramidfaser, die von DuPont entwickelt wurde und für ihre bemerkenswerte Festigkeit und Hitzebeständigkeit bekannt ist. Kevlar-Fasern werden häufig dort eingesetzt, wo eine hohe Zug-, Abrieb- und Schlagfestigkeit entscheidend sind. Hierzu gehören Körperpanzer, schusssichere Westen, Handschuhe und sonstige Schutzausrüstung.
• Glasfaser: Ein Verbundwerkstoff aus feinen Glasfasern, die in eine Polymermatrix eingebettet werden – in der Regel Expoxid- oder Polyesterharz. Er wird für seine hohe Festigkeit, das geringe Gewicht und die Korrosionsfestigkeit geschätzt. Glasfaser kommt dank ihrer Vielseitigkeit und ihres günstigen Preises im Bauwesen, beim Bootsbau, für Automobilteile und verschiedene Konsumgüter zum Einsatz.

Creo Simulation Anwender können auf die Masseneigenschaften von Verbundteilen zugreifen, die in der Konstruktionsphase erzeugt wurden, und unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften und der Ausrichtung jeder einzelnen Schicht strukturmechanische Analysen dieser komplexen Teile durchführen, um sicherzustellen, dass die fertigen Teile die technischen Anforderungen erfüllen. Sie können die Drapierungssimulationsfunktion der Software nutzen, um die Herstellbarkeit der Schicht zu analysieren und ihre Endabwicklungen zu erzeugen.

Verbundwerkstoffe werden für ihre Fähigkeit geschätzt, auf spezifische Anforderungen zugeschnitten zu werden. Das macht sie in vielen Branchen zu einer vielseitigen Option, wenn traditionelle Werkstoffe im Hinblick auf Leistung, Gewicht oder Langlebigkeit nicht ausreichend sind. Laut American Composites Manufacturing Association (ACMA) ist der Windenergiesektor der führende Verbraucher (25%), gefolgt von Luft- und Raumfahrt (20%), Sportgeräten/Freizeit (10–12%), Automobilindustrie (10–12%), als Zuschlag für spritzgegossene Kunststoffteile (5–8%), für Druckbehälter (5–8%) sowie im Bauwesen und im Infrastruktursektor (5–8%). Sonstige Marktsegmente machen rund 15% aus, Tendenz steigend, da stetig neue Anwendungsmöglichkeiten identifiziert werden.

Die drei Arten von Verbundwerkstoff-Fertigungsverfahren sind das offene Gießen, das geschlossene Gießen und das Gießen von Polymeren – jedes mit seinen eigenen Vorteilen:

• Das offene Gießen ist häufig eine kostengünstige Methode zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, die sich für die Erstellung von Prototypen oder kleinen Produktionsserien eignet. Beim offenen Gießen werden Verbundwerkstoffe, die Harze und Faserverstärkungen enthalten, in die Form eingelegt und der Umgebung ausgesetzt, wodurch sie aushärten.
• Beim geschlossenen Gießen wird der herzustellende Verbundwerkstoff von der Umgebung abgeschirmt – in der Regel durch eine Vakuumform oder eine zweiseitige Form. Geschlossenes Formen ermöglicht es Herstellern, hochwertige Teile schnell, konsistent und mit besserer Oberflächengüte herzustellen. Dadurch eignet sich das geschlossene Gießen für große Produktionsserien oder wenn ein Teil eine glatte Appretur auf beiden Seiten erfordert. Creo CDM/CDMA eignen sich ideal für die moderne Konstruktion von Verbundwerkstoffstrukturen und ermöglichen die genaue Wiedergabe der Volumengeometrie von Verbundwerkstoffschichten sowie die Erstellung assoziativer Referenzmodelle für die Fertigung.
• Beim Gießen von Polymeren wird eine Mischung aus Harz und Füllstoffen, in der Regel ohne Faserverstärkungen, in eine Form gegossen und dann ausgehärtet. Gegossene Polymere sind so konzipiert, dass sie spezifische Festigkeitsanforderungen erfüllen, die auf dem Enddesign basieren – sie können für jede Größe und Form ausgelegt werden.