Berechnung und Auslegung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden

Leichtbaukonstruktionen ermöglichen bedeutende Gewichtseinsparungen, erfordern allerdings auch sehr genaue Kenntnisse von angreifenden Lasten und im Bauteil auftretenden Spannungen. Die genaue Kenntnis der Hauptspannungsrichtungen für jeden Lastfall ist unabdingbar. Nur so können optimale Eigenschaften eingestellt und die Betriebsfestigkeit gewährleistet werden. Die Optimierung von Baugruppen und Komponenten mit Hilfe der Topologieoptimierung ist mittlerweile Stand der Technik. Ziel ist dabei immer, mit möglichst wenig Material identische oder sogar bessere Eigenschaften gegenüber der konventionellen Lösung zu erzielen. Meist liegen den Konstrukteuren fundierte Kenntnisse für die Werkstoffe Stahl und Gusseisen vor und werden deshalb bevorzugt eingesetzt. Dies ist in der Regel gerade aus Kostengründen auch gerechtfertigt. Bestehen spezielle Anforderungen, muss aber auch über Alternativwerkstoffe nachgedacht werden. Hier besteht in den Unternehmen Forschungsbedarf bzgl. Der Einsetzbarkeit der alternativen Werkstoffe unter den anwendungsspezifischen Einsatzbedingungen und Anforderungen. In den letzten Jahren richtete sich das Interesse im Besonderen auf Verbunde aus kohlenstoff- und glasfaserverstärkten Kunststoffen. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) weisen Dichten von etwa 1,3 bis 1,8 g/cm3 auf, glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) liegen im Bereich von etwa 1,8 bis 2,2 g/cm3. Die Faser-Kunststoff-Verbunde, besitzen neben den bereits genannten Eigenschaften zudem eine hohe spezifischen Steifigkeit und Festigkeit und sind bezüglich Dauerfestigkeit und Wärmeausdehnung konventionellen Stahl- und Gusswerkstoffen überlegen. Allerdings muss ein hoher Engineering-Aufwand betrieben werden, wenn die Substitution konventioneller Werkstoffe durch Faser-Kunststoff-Verbunde erwogen wird. Bei der Entwicklung wirtschaftlich konkurrenzfähiger Strukturbauteile muss bei der Substitution konventioneller Werkstoffe durch Faser-Kunststoff-Verbunde die Wahl des Ausgangsmaterials als auch die konstruktive Auslegung gezielt durchgeführt werden. Sowohl bei einer unsachgemäßen Wahl des Materials bzw. einer fehlerhaften oder nicht materialgerechten Konstruktion können hohe Bauteilkosten entstehen, die die Werkstoffvorteile zunichte machen. Faser-Kunststoff-Verbunde besitzen richtungsabhängige Eigenschaften. Dieser Aspekt muss bei der Konstruktion und Simulation zwingend berücksichtigt werden. Die genaue Kenntnis der Hauptspannungsrichtungen für jeden Lastfall ist unabdingbar. Insbesondere die Schnittstellen zu metallischen Krafteinleitungen sind gezielt zu dimensionieren. Nur so können optimale Eigenschaften eingestellt und die Betriebsfestigkeit gewährleistet werden. Das Fraunhofer IWU versteht sich als kompetenten Ansprechpartner für die ganzheitliche Entwicklung von faserverstärkten Leichtbaustrukturen vom Entwurf über die Konstruktion und Simulation bis zum fertigen Bauteil und dessen Eigenschaftsanalyse.