z-pinned composites

Faser-Kunststoff-Verbunde besitzen aufgrund ihres mikrostrukturellen Aufbaus aus lasttragenden Faserwerkstoffen und der formgebenden Matrix sehr gute mechanische Eigenschaften in der Laminatebene. Ein anderes Bild zeigt sich, wenn eine Struktur aus FKV senkrecht zur Laminatebene belastet wird. Vor allem stoß- oder impactartige Belastungen führen aufgrund der geringen Schlagzähigkeit sowie der geringen Schadenstoleranz häufig zu Problemen mit der Resttragfähigkeit. Aufgrund ihres typischen schichtweisen Aufbaus sind diese Werkstoffe ebenfalls anfällig für Delaminationen z.B. infolge interlaminarer Scherbeanspruchung.

Es besteht heute bereits eine Reihe von Möglichkeiten, diesen Nachteilen entgegenzuwirken. Häufig angewendete Verfahren sind das Vernähen, Verweben oder das Verstricken von textilen Halbzeugen. Alle Verfahren haben dabei gemeinsam, Fasern in z-Richtung (senkrecht zur Laminatebene) einzubringen und somit die mechanischen Eigenschaften in diese Richtung sowie die Schlagzähigkeit einer Struktur zu verbessern.

In der Fertigung von FKV-Strukturen werden Bauteile häufig aus vorimprägnierten Halbzeugen, sogenannten Prepregs, aufgebaut. Die genannten Verfahren zur Verbesserung der Schlagzähigkeit sind für vorimprägnierte Halbzeuge jedoch ungeeignet. Die einzige und bereits bewährte Möglichkeit Schlagzähigkeit, Delaminationsverhalten und Schadenstoleranz zu verbessern ist das sogenannte z-Pinning-Verfahren, bei dem anstatt einzelner Fäden dünne Nadeln in Dickenrichtung in die Struktur eingebracht werden.

Z-Pins sind nadelförmige, zumeist runde Stäbe mit Durchmessern von typischerweise 0,1…1,0 mm. Sie bestehen vorzugsweise aus hochfesten und –steifen Materialien wie Titan, Stahl oder CFK. Zahlreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass das z-Pinning eine sehr effektive Methode darstellt impactgefährdete Strukturen gezielt zu verstärken.

Laminat mit z-Pins im Quer- (oben) und Längsschnitt (unten)

Federn aus FKV

Der Lehrstuhl für Konstruktionstechnik / Leichtbau hat sich in den letzten Jahren auf die Entwicklung verschiedener Maschinenelemente aus Faserverbundwerkstoffen spezialisiert. Dabei liegt ein Schwerpunkt bei Federn aus FKV. Derzeit werden diesbezüglich unterschiedliche Projekte durchgeführt, die das Verhalten der faserverstärkten Kunststoffe bei Rollfedern, Blattfedern Spiralfedern, Ringfedern und Wellenfedern überprüfen. 

Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen zeichnen sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit, einer sehr geringen Dichte, sowie sehr guten mechanischen Eigenschaften aus, die hohe Dauerfestigkeit und geringe Geräuschemission von Federn aus FKV erhöhen das Potenzial als Federwerkstoff.

Die Reibungsfeder aus CFK  zeichnet sich durch ihr besonders geringes Gewicht aus. Zudem ist der Bauraum sehr klein, wodurch eine sehr gute Materialausnutzung und ein hoher Wirkungsgrad entsteht. Typisch für diese Federn ist auch die starke Dämpfung. Daher empfiehlt sich auch ihr Einsatz als Stoßdämpfer.

Reibungsfeder aus FKV
Wellenfeder aus FKV

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffzahnräder

Durch Verminderung der bewegten Massen kann Energie und damit wertvolle Ressourcen eingespart werden. Ein möglicher Ansatz kann in der Entwicklung von kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) für die Anwen­dung in Zahnrädern liegen. Die bekannten mechanischen Kennwerte derartiger Werkstoffe lassen einen möglichen Einsatz auch in leistungsführenden Getrieben erwarten. Ein weiterer Vorteil von CFK gegenüber Stahl ist sein gün­stiges Dämpfungsverhalten.

Unsere Ziele sind unter anderem:

  • laufruhigere Getriebe durch die Elastizität des Materials
  • bessere Beschleunigung durch leichtere Zähne und Zahnräder
CFK-Zahnrad auf Stahlwelle

Druckluftloser Fahrzeugreifen

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Herstellung eines pannensicheren, wartungsfreien sowie energiesparenden Reifensystems, welches ohne Druckluft im Reifen arbeitet und den Fahrkomfort eines konventionellen Reifens besitzt. 

Vorteile:

  • geringerer Wartungsaufwand
  • hohe Pannensicherheit
  • konstante Eigenschaften über den gesamten Lebenszyklus
  • Erhöhung der Energieeffizienz eines Fahrzeuges 

Nachteilige Eigenschaften des Luftreifens:

  • Problem des Druckluftverlustes
  • negative Beeinflussung des Fahrkomforts und Erhöhung des Energieeinsatzes
  • Kraftfahrzeuge:
    • Mehrverbrauch an Treibstoff
    • zusätzlicher Ausstoß an Treibhausgasen
    • Sicherheitsrisiko im Straßenverkehr bei schleichendem bzw. plötzlichem Druckluftverlust (Knallpanne) oder durch Schäden am Reifen
  • Muskelbetriebene Gefährte (z.B. Fahrräder oder Rollstühle)
    • Mehraufwand an Muskelkraft
    • evtl. kein Weiterfahren möglich (große Barriere für Rollstuhlfahrer)
    • Reifenpannen sind ein hoher finanzieller und wartungstechnischer Aufwand Unternehmen mit Werksfahrrädern, Vermietung von Stadtfahrrädern oder für Fahrradverleihe

Das entwickelte Reifenprinzip setzt sich aus zwei Komponenten zusammen:

  • Laufstreifen → Anpassung des Fahrkomforts an den luftgefüllter Reifen
  • Omega-Strukturen bzw. Schraubenfeder→ Übernahme von Stütz- und Federungseigenschaften (aus faserverstärktem Kunststoff) 

Zukünftige Aufgaben in dem Projekt sind die Werkstoffentwicklung für die Systembestandteile, eine Optimierung der Konstruktion, die Erarbeitung möglicher Fertigungsverfahren und die Parameterbestimmung über geeignete Prüfverfahren.

Konzept Omegafeder
Konzept spiralförmige Feder

Sportgeräte

Der Leichtbau-Stock composite bamboo . federleicht ist speziell für die sportliche Betätigung, insbesondere als (Langlauf-) Skistock, zum Nordic-Walking oder für ähnliche Sportarten geeignet.

Aufgrund seines besonders geringen Gewichts und der luftdurchlässigen Bauform ist dieser Stock im Einsatz äußerst kraftsparend.

Er zeichnet sich durch seine Stabwerkbauweise aus. Mehrere Längsstäbe, fixiert mit Verbindern, sind in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet. Die Anzahl und der Durchmesser der Längsstäbe sind je nach gewünschten Bauteileigenschaften variabel. Zudem können zusätzliche Helixwicklungen und eine Schutzhülle für weitere Anwendungsgebiete interessant sein.

Wanderstock "composite bamboo"