Advanced Composite Manufacturing:Grundlagen des Strahlbiegens

Bevor Sie zu den Materialien und Einstellungen gelangen, die die Festigkeit eines mit ATL/ AFP und Verbundwerkstoffe ist es wichtig, die Physik und Theorie hinter den verschiedenen Aspekten zu verstehen, die seine Festigkeit beeinflussen. In diesem Abschnitt behandeln wir 3 Konzepte, die den Grundstein für starke ATL/AFP-Teile legen.

Beam Bending-Grundlagen

ATL/AFP-Teile bestehen selten aus 100% Kohlefaser, da es für Kosten- und Materialeinsparungen von Vorteil ist, nur die Abschnitte zu verstärken, die der größten Kraft ausgesetzt sind. Aus diesem Grund sind die meisten Verbundteile eher wie Sandwiches aufgebaut, wobei die äußersten Abschnitte das Verbundmaterial und die innere Struktur der Kern sind.

Der Hauptzweck des Kerns besteht darin, das Teil auf die gewünschte Dicke zu erhöhen, ohne es mit teuren Kohlefasern aufzubauen. Trägt die Schalendicke oder Kerndichte also mehr zur Festigkeit des Teils bei? Die Antwort stammt aus der einfachen Balkenbiegetheorie.

Die wichtigste Erkenntnis aus der Balkenbiegetheorie ist, dass die Ober- und Unterseite eines Balkens beim Biegen die meiste Kraft erfahren, und wir können die Festigkeit eines Balkens für sein Gewicht optimieren, indem wir nur Material bei diesen Extremen hinzufügen. und so wenig Material wie möglich verwenden.

Angenommen, wir haben einen einfachen Balken, wie eine Brücke, der auf beiden Seiten gestützt wird und das Gewicht zwischen den Endstützen zentriert ist, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Bild 1:Ein grundlegender Belastungsfall eines Trägers, der an zwei Punkten getragen wird, mit einem Gewicht in der Mitte

Wir können dieses Modell auf die 3 Berührungspunkte der Balkenerfahrungen abstrahieren - einen für das Gewicht und zwei für die Stützen. Dies bildet ein Dreieck, in dem die Kontaktpunkte zu den Scheitelpunkten werden.

Abbildung 2:Durch die Vereinfachung der Kontaktpunkte entsteht ein Dreieck, auf das die Kraft ausgeübt wird

Wenn das Gewicht eine Kraft auf diesen Balken ausübt, stellen Sie sich die Kräfte vor, die sich zusammen mit dieser dreieckigen Struktur verteilen. Die beiden abgewinkelten Segmente werden komprimiert und das horizontale Segment wird auf Zug belastet.

Bild 3:Die Kräfte verteilen sich über die Längen des Dreiecks

Die Kräfte werden über die Längen des Dreiecks verteilt. Die Größe der Horizontalkraft hängt letztendlich von der Dicke des Balkens ab. Wenn der Träger dicker wird, während die Last konstant bleibt, nehmen die Basiswinkel des Dreiecks zu, wodurch die resultierende horizontale Kraft auf den Träger verringert wird. Wenn wir den Balken auf diese Weise vergrößern, können wir sehen, dass der auf die Stützen ausgeübte Kraftwinkel vertikaler wird:

Bild 4:Wenn der Balken dicker wird, wird das Dreieck größer. Dadurch ändert sich die Kraftverteilung

Wenn diese Winkel größer werden, nimmt die resultierende Zugkraft ab. Dies bedeutet, dass ein dickerer Balken der Biegezugkraft des Gewichts viel leichter widerstehen kann als ein dünnerer Balken. Es ist der gesunde Menschenverstand, dass ein dickerer Balken mehr Gewicht tragen kann als ein dünner, und diese Theorie erklärt warum.

Ein mit der Balkenbiegetheorie verwandter Aspekt beschreibt, dass die größten Lasten auf einen gebogenen Balken an seinen Extremen aufgebracht werden. Eine auf einen Balken ausgeübte Biegekraft wird in Zug- und Druckkräfte auf beiden Seiten der sogenannten "neutralen Achse" aufgelöst, der Ebene in einem Balken, an der keine Last auftritt.

In diesem Fall wird das Material unterhalb der neutralen Achse auf Zug und oberhalb der neutralen Achse auf Druck belastet.

Bild 5:Je weiter von der neutralen Achse entfernt, desto größer ist die resultierende Kraft

Diese Informationen deuten darauf hin, dass das Material bei der Optimierung eines Trägers hinsichtlich seiner Festigkeit und seines Gewichts den größten Einfluss auf die Ober- und Unterseite von das Teil, während die Mitte relativ geringe Scherkräfte aushält.

Besonders bei ATL/AFP sind Zugbelastungen wichtiger und einfacher zu optimieren als Druckbelastungen, da sich jede Faserlage wie ein Strang verhält (dazu später mehr).

Dies erklärt, warum Rund- und Kastenrohre, I-Träger und T-Träger im Bauwesen so verbreitet sind; Sie sparen Gewicht, indem sie nur dort Material hinzufügen, wo die höchsten Belastungen auftreten. Ein Rundrohr kann Belastungen von allen Seiten aufnehmen, denn egal von wo die Kraft ausgeübt wird, es gibt zwei "Flächen" an den Extremen.

Eine Kiste kann Lasten von vier Seiten aufnehmen, da auf jeder Seite, von der die Last aufgebracht wird, eine gegenüberliegende Seite vorhanden ist, die bereit ist, Spannungen zu erfahren. Ein I-Träger kann jedoch nur extreme Kräfte von zwei Seiten aufnehmen, und ein T-Träger ist nur dann effizient, wenn er von einer Seite belastet wird.

Abbildung 6:Unterschiedliche Querschnitte von Tragwerksträgern

Die verschiedenen Balkentypen schneiden Material in verschiedenen Bereichen, je nachdem, wie sie geladen werden sollen. Wenn Sie also an Biegeteile denken, denken Sie an diese beiden Dinge:

• Ein dickerer Strahl ist stärker als ein dünnerer Strahl

• Ein Balken erfährt beim Biegen die höchsten Belastungen an seinen Stirnseiten

Nachdem wir nun die Grundlagen des Balkenbiegens besprochen haben, kann diese Theorie durch die Entwicklung kritischer Komponenten wie Flugzeugflügel, Schiffsmasten und sogar Fahrzeugchassis weitergeführt werden. Hat man sich erst einmal fest im Griff, sind die Möglichkeiten von Verbundwerkstoffen fast endlos!

Über Addcomposites

Kompositen hinzufügen ist der Anbieter des Automated Fiber Placement (AFP)-Systems. Das AFP-System kann monatlich gemietet werden, um mit Duroplasten, Thermoplasten, Trockenfaserplatzierung oder in Kombination mit 3D-Druckern zu arbeiten.