Was ist Faserorientierung und warum ist sie wichtig?

Ein Verbundwerkstoff ist eine heterogene Mischung aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien, die zusammengebracht werden, um die individuellen Einschränkungen jedes Materials zu überwinden und ein insgesamt stärkeres Produkt herzustellen. Die endgültigen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs hängen letztendlich von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materialien ab, aus denen er hergestellt wird.

Generell können Verbundwerkstoffe jedoch durch die Zugabe von Fasern mechanisch verstärkt werden. Festigkeit, Elastizität und Herstellbarkeit werden alle durch Faserverstärkung verbessert, aber inwieweit hängt von der Position der Fasern selbst oder der Faserorientierung ab.

Aber wie wirkt sich die Faserorientierung auf die Qualität und Leistung eines Teils in seiner Endanwendung aus? Hier finden Sie alles, was Sie über Faserorientierung wissen müssen – plus wichtige Überlegungen für Ingenieure.

Was ist Faserorientierung?

Die Faserorientierung beim Spritzgießen bezieht sich auf die Art und Weise, wie einzelne Fasern angeordnet sind, um eine optimale strukturelle Anordnung in einem faserverstärkten Polymerverbundstoff zu erleichtern. Wenn das eingespritzte Material durch die Form fließt, verändert die resultierende Faserausrichtung die Geometrie des Formhohlraums, was sich direkt auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt.

Ein faserverstärkter Polymerverbundwerkstoff (FVK) besteht aus drei Teilen – der Polymermatrix, Faserverstärkungen und dem feinen Zwischenphasenbereich. Die Polymermatrix, typischerweise ein Duroplast oder Thermoplast, ist ein Bindemittel, das die Verstärkungsfasern während des Spritzgießens an Ort und Stelle hält. Es bestimmt auch die Abbaueigenschaften des Verbundwerkstoffs wie chemische Beständigkeit oder Kriechen. Wenn die Matrix das Fleisch und die Faserverstärkungen der Knochen sind, bilden sie zusammen ein starkes Glied oder einen Verbundstoff.

GFK sind bekannt für ihre hohe mechanische Leistung, Korrosions- und Verschleißfestigkeit, Haltbarkeit und Designflexibilität. Aus diesen Gründen haben faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe weitreichende Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Biomedizin und der Schifffahrt, aber sie sind besonders beliebt in der Dentalindustrie.

Ingenieure können faserverstärkte Polymerverbundstoffe anpassen, indem sie verschiedene Matrizen und Verstärkungsfasern mischen und aufeinander abstimmen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Faserorientierung ist die primäre Art und Weise, wie Ingenieure spritzgegossene Materialien stärker machen, und das Geheimnis des Erfolgs eines GFK.

Glas vs. Kohlenstofffasern

Ein faserverstärkter Polymerverbund ist nur so stark wie seine Verbundwerkstoffe, und das gilt sowohl für Polymermatrizen als auch für Faserverstärkungen. Matrizen aus Duroplasten wie Polyestern oder Epoxiden haben eine hohe Dimensions- und Wärmestabilität und Lösungsmittelbeständigkeit. Thermoplaste wie Polyetheretherketon (PEEK) hingegen sind in diesem Fall zäher als Duroplaste, und jeder Verbundwerkstoff, der mit dieser Polymermatrix hergestellt wird, wäre weniger spröde.

Faserverstärkungsmaterialien haben einen enormen Einfluss auf die Verbunddichte, die mechanischen Eigenschaften sowie die elektrische und thermische Leitfähigkeit eines Teils. Im Allgemeinen sind Glas und Kohlenstoff die besten Faserarten für den Einsatz beim Spritzgießen.

Glasfasern sind erschwinglich und haben eine hohe Streckgrenze und eine hohe Chemikalien-/Hitzebeständigkeit. Sie sind auch gute Isolatoren, perfekt für elektrische Anwendungen. Glasfaserverbundwerkstoffe haben auch einen viel höheren Zugmodul als nicht glasfaserverstärkte Kunststoffe.

Kohlenstofffasern gibt es in zwei Varianten:Kohlenstoff auf Polyacrylnitrilbasis (PAN) und aus Pech gewonnener Kohlenstoff. Kohlefasern sind extrem wärmeleitfähig und haben einen niedrigen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Sie haben auch eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Modul sowie eine hohe Ermüdungsfestigkeit.

Zu den Nachteilen von Kohlefasern gehört die Tatsache, dass sie relativ kostenineffizient sein können, eine geringe Schlagfestigkeit aufweisen und bei hoher Hitze oft oxidieren. Darüber hinaus kann die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern in ungeschützten Geräten unerwünschte elektrische Entladungen verursachen.

Warum ist die Faserorientierung in Verbundwerkstoffen wichtig?

Innerhalb von Verbundwerkstoffen kann die Faserorientierung die Festigkeit eines Teils stark beeinflussen. Vier der häufigsten Orientierungen in faserverstärkten Verbundwerkstoffen sind unidirektional, zufällig, bidirektional und multidirektional. Unabhängig von der Richtung der Fasern im Material kann die Faserorientierung die mechanischen und chemischen Eigenschaften eines Spritzgussteils erheblich verbessern.

Verstärkungsfasern können dazu beitragen, die strukturelle Belastung eines Teils gleichmäßig über ein Netzwerk von Stützpunkten zu verteilen, anstatt alles auf einen oder zwei zentrale Druckpunkte zu verteilen. Die Faserorientierung sorgt für makroskopische Steifigkeit und Festigkeit, was eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eines Teils spielt.

Darüber hinaus profitieren faserverstärkte Verbundwerkstoffe von den chemischen Eigenschaften, die ihnen ihre Polymermatrizen und Faserverstärkungen verleihen. Glasfasern bieten eine hervorragende Hitzebeständigkeit, während Kohlenstofffasern eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit bieten. Mit Hilfe von Faserverbundwerkstoffen können Ingenieure ihren Spritzgussteilen nahezu alle mechanischen oder thermischen Eigenschaften verleihen.

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Faserverbundwerkstoffe sind so stark wie die Summe ihrer Teile, also sehr stark. Verbundwerkstoffe sind eine gute Wahl für Ingenieure, die Teile herstellen möchten, die eine hohe Hitzebeständigkeit, Festigkeit und Haltbarkeit erfordern. Ein erfahrener Fertigungspartner kann Ihnen bei der Auswahl der Glas- oder Kohlefaserausrichtung helfen, die Ihr Design so stark wie möglich macht.

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