001 fkv introduction ws0708
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 1
Vorlesung WS 2007/2008
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 2
Technologie- und Dimensionierungsgrundlagen für Bauteile aus
Faserkunststoffverbund (FKV) (Nr. 39375)Dipl.-Ing. Christof Kindervater
DLR Stuttgart, Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung
Technologische Grundlagen:
• Fasern/Matrixsysteme/Halbzeuge⇒ Hochleistungssysteme: GF, CF, AF, Hybride
⇒ Duro- und Thermoplastmatrix
⇒ Textile Halbzeuge
• Fertigungsverfahren
⇒ Formenbau
⇒ Duromer- und Thermoplastverarbeitung
Strukturmechanische Grundlagen:
• Mikromechanik
• Klassische Laminat-Theorie (CLT)
• Einfluss von Temperatur und Feuchte
• Versagenshypothesen
• Krafteinleitungen (Kleben, Bolzen, Schlaufen)
• Berechnungsprogramme auf PC
Fallstudie (CFK-Rumpf-Konzept)
Recycling
EinführungWarum FKV?/Trends/Historie/Vorbild Natur
AnwendungenLuft- und Raumfahrt, Wind, Sport, Schiffsbau,
Fahrzeuge, Bau, Medizin, Maschinenbau, Elektro
Vorl. nur im WS, 2 Wochenstunden,
Mündl. Prüfung (Vertiefung und Wahlfach)
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 3
Technologie- und Dimensionierungs-grundlagen für Bauteile aus
Faserkunststoffverbund (FKV)
Anwendungen: CFK-Rumpf Vorbilder aus der Natur
Technologie: Neue Halbzeuge,Fasern, Matrix, Kernmaterialien
Technologie: VARIInfusions-Prozess
Mikromechanik: UD,Gewebemodelle Klassische Laminattheorie und
Versagenshypothesen,Schädigungsmodelle
Krafteinleitungen
• Kleben
•Bolzen•Schlaufen
Crash- und HVI-Belastung
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 4
21.12.
14.12.
15.02.07.12
08.02.30.11.
01.02.23.11.
25.01.16.11.
18.01.09.11.
11.01.19.10.
20082007
Termine
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 5
Neuregelung der Vertiefungsprüfung „ Flugzeugbau und Leichtbau“ (1)
Ab dem Prüfungstermin Frühjahr 2006 gilt folgende Regelung:
Schrif tliche Prüfung:
Die Prüfung besteht wie bisher aus zwei Teilen:
• Kurzfragen ohne Hilfsmittel (Dauer 30 Minuten)
• Aufgabenteil mit Hilfsmitteln (Dauer 120 Minuten)
Zu bearbeiten sind die Fragen aus einem der Fächer:
• Flugzeugentwurf I und II (4 Semesterwochenstunden)
• Leichtbau I und II (4 Semesterwochenstunden)• Windenergienutzung I und Entwurf von Windenergieanlagen I
(4 Semesterwochenstunden)
Sowie aus einem der Fächer
• Lastannahmen (2 Semesterwochenstunden)
• Werkstoffe und Fertigungsverfahren (2 Semesterwochenstunden)
Damit werden im schriftlichen Teil 6 der erforderlichen 10 Semesterwochenstunden
abgeprüft. Der Umfang der Prüfungsaufgaben steht im Verhältnis zur Stundenzahl der
jeweiligen Fächer.
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 6
Neuregelung der Vertiefungsprüfung „ Flugzeugbau und Leichtbau“ (2)
Mündliche Prüfung:
Mündliche Prüfungen können derzeit in den folgenden Fächern abgelegt werden*:
- Auslegung von Flugzeugsystemen I (Sigolotto, 2 SWS)- Auslegung von Flugzeugsystemen II (Sigolotto, 2 SWS)
- Flugführung (Zeller, 2 SWS)
- Zerstörungsfreie Prüfung (Prof. Busse, 2 SWS)
- Labor für zerstörungsfreie Prüfung (Prof. Busse, 2 SWS)
- Keramische Werkstoffe (Prof. Busse, 2 SWS)
- Konstruieren mit Keramik (Weihs, 2 SWS)
- Faserverbundwerkstoffe (Kindervater, 2SWS)
- Ermüdung von Faserverbundwerkstoffen (Kensche, 2 SWS)
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 7
Neuregelung der Vertiefungsprüfung „ Flugzeugbau und Leichtbau“ (3)Mündliche Prüfung (Fortsetzung):
- Werkstoffe für Antriebssysteme (Prof. Voggenreiter, 2 SWS)
- Windenergienutzung I (Prof. Kühn, 2 SWS)
- Windenergienutzung II (Prof. Kühn, 2 SWS)
- Entwurf von Windenergieanlagen I (Prof . Kühn, 2 SWS)
- Windenergie-Projekt / Entwurf von Windenergieanlagen II (2 SWS)
- Windenergie-Labor (Prof. Kühn, 2 SWS)
- Regenerative Energien (Dörner, 2 SWS)
Es sind 2 der oben genannten Fächer zu wählen.
Das Angebot der Fächer kann variieren. Es gilt der jeweils aktuelle Aushang am IFB.
Die mündliche Prüfung findet in Absprache mit den jeweiligen Prüfern entweder direkt im
Anschluss an die Vorlesung oder in der vorlesungsfreien Zeit nach der Vorlesung statt.
Die Regelprüfungsdauer pro Fach beträgt 15 Minuten. Es sind Einzel- und Gruppenprüfungen
möglich.
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 8
Neuregelung der Vertiefungsprüfung „ Flugzeugbau und Leichtbau“ (3)
Allgemeines:
Die schriftliche Prüfung und die 2 mündlichen Prüfungen (Summe 10
Semesterwochenstunden) müssen jeweils an einem Prüfungstermin (Frühjahr oder
Herbst) abgelegt werden.
Die Punkte, aus denen die Note gebildet wird, werden entsprechend der
Semesterwochenzahl der einzelnen Fächer gewichtet.
Bei Nichtbestehen der Prüfung muss an einem der nächsten Prüfungstermine wie
bisher die gesamte Prüfung wiederholt werden. Bei der Wiederholungsprüfung kann
auch eine andere Fächerkombination gewählt werden.
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 9
Klassifizierung von FVW
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 10
Abkürzungen, Begriffe, Symbole und Definitionen (1)
S- Gl as Gl asf aser sor t e
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 11
Abkürzungen, Begriffe, Symbole und Definitionen (2)
P Dr uck
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 12
Abkürzungen, Begriffe, Symbole und Definitionen (3)
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 13
Abkürzungen, Begriffe, Symbole und Definitionen (4)
SV- (Laminat) KOS
Natürliches Koordinatensystem
(KOS) der Einzelschicht (ES)
Koordinatensysteme
Gedrehtes KOS der ES
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 14
What is a polymer composite?
Fibre Matrix
Basic materials
Typical matrices:• polyester
• epoxy
• vinylester
• thermoplast
Typical fibres:• glass
• carbon
• aramid
Role of the fibre:
• provides high specific
strength and stiffness
Role of the matrix:
• shape of the structure, keeps fibres together
• transfers loads between fibres, compensates peak stresses
• provides minimum distance between fibres, protects the
fibres
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 15
Advantages and disadvantages of composites
Advantages:• high mass specific strength and
stiffness
• “tailored” materials and structures- adaptation to load path
- use of an-isotropic properties
- design flexibility/complex shapes
- multifunctional design
• good damping and fatigue
• low corrosion and good chemical
resistance
• high electric resistance GFK)
• low thermal expansion (CFK)
• not magnetic• low production cost (?)
• low energy consumption for production
Disadvantages:• special experience needed
- design
- pre- and final analysis- production technology
• limited knowledge in life cycle
behaviour and operational use
• quality control and assurance
• material properties are generated
during production process
• certification problems
• limited temperature resistance of
several fibres and matrices• low failure strains/ no plasticity
• relative high cost of several fibres and
pre-forms
• relative low experience in automation
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 16
Basic composite properties
Comparison of material/fibre
properties
Typical stress-strain behaviour:
• stiffness ratio fibre/matrix: 20/1-100/1
• fibres linear elastic, matrix non-linear
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Comparison of specific strength and stiffness of composites
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Zusammenhänge der Verbundtechnologie
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Wichtige Eigenschaften von FKV aus Sicht der Unternehmen
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Verbesserung der Einsatzbedingungen von FKV
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Strukturgewichteinfluss auf die Reichweite
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 23
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 24
Einsatz von Kohlenstoffasern
2007: ca. 30.000t/aweltweit
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 25
Einsatz von Glasfasern
Branchenverteilung
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 26
Market potential of composite
Market trends of fibres and
matrices in USA
Accepted cost for mass reduction
Source: Rockwell
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Airbus application and weight saving potential of composites
Prognosis of Airbus composite
application until 2000
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 28
Globale Technologie Trends bei künftigen CFK-Strukturen
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 29
Comparison of cost of aerospace materials
5 10 20 30 50 100 200 300 500 €/dm³
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 30
Energy consumption for composites
Example: Car motor hood
Energy consumption
due to fuel during
operation of car
Energy consumption
for material and part
production
Energy consumption for metal and
composite structural designs
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 31
Source: FZK
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 32
Geschichtliche Entwicklung der FVW (1)
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 33
Ein “ Klassischer” Verbundwerkstoff - Damaszener Stahl (2)
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 34
Glaswickeltechnik in Ägypten (3)
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 35
Geschichtliche Entwicklung der FKV-Anwendung (4)
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 36
Geschichtliche Entwicklung der FKV-Anwendung (5)
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 37
Werner Nachtigall: Vorbild Natur
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 38
Nature as ideal for l ight-weight structures and optimisation (1)
• Siliziumdioxide shell of searadiolarie: light and compression
resistant
• airship nose section: light and
high bending stiffness
Analogous designs:
• aluminium honeycomb
• brown sea-weed from Chile
Source: Werner Nachtigall
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 39
Nature as ideal for light-weight structures, fibres and
optimisation (2)
• spider net with optimised
load introduction points
• roof of Olympia stadium
Munique (Frey Otto)
Source: Werner Nachtigall
Spider net:
• “Keratin” fibres: elongation up to 40% at
very low temperatures, diameter: 1,5-5 μm
• non water soluble
• applications: ballistic protection, silk like fabrics,
fisher nets, cross wires in optical sights
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 41
Nature as ideal for l ight-weight structures and optimisation (4)
• structure with bulkheads and
longitudinal beams: strong Chitin
beams
• skin: very thin Chitin sheet
Analogous design:
• stalk of cactus branch
• CFRP robotic arm section of
ROTEX experiment
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 42
Nature as ideal for l ight-weight structures and optimisation (5)
Wing of Calliphora erythrocephala:• strong beams in front
• light beams in the back
• very light skin
Analogous design:
• blade of grass
• TV tower Quelle: Nachtigall
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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 43
Analogous designs: nature and composites (6)
CFRP laminate and bamboo micro-structure
CFRP micro-structure and Paracortex cell of merino wool