Fachwörter-Lexikon
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Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK)
GFKs bestehen aus Kunststoff (meistens Polyester- oder Epoxidharzen) und Glasfasern. Während der Herstellung der Formteile ist der Kunststoff flüssig und wird anschließend ausgehärtet. Die Eigenschaften werden durch den verwendeten Kunststoff und die Art der Glasfasern, durch den Anteil der Glasfasern am Gesamtvolumen sowie ihre Anordnung im Werkstück bestimmt. Die Festigkeit nimmt mit steigendem Fasergehalt und der Ausrichtung der Fasern in eine Richtung zu. Anwendungsgebiete im Bauwesen, in der Sportgeräteherstellung (Ski, Tennisschläger), im Fahrzeug-, Flugzeug- und Maschinenbau. Man fertigt daraus z.B. Zahnräder, Spezialwerkzeuge, Lkw-Blattfedern, Karosserieelemente und Flugzeugstrukturteile, Rohrleitungen und Behälter.
Bearbeitung: Spanlose Formung ist nur bei sogenannten Prepregs (vorgefertigte Matten aus Glasfasern, getränkt mit nicht ausgehärtetem Kunststoff) möglich. Erst beim Verarbeiten werden die Prepregs geformt und anschließend durch Erwärmen ausgehärtet. Ausgehärtete GFK sind nicht umformbar, können aber mit allen spanenden Verfahren bearbeitet werden. Aufgrund der Härte der Glasfasern müssen Hartmetall-Werkzeuge verwendet werden. GFK-Bauteile lassen sich untereinander oder mit anderen Werkstoffen durch Verschrauben, Nieten oder Kleben fügen.
Herstellung: Beim Faserharzspritzen werden Glasfasern zerkleinert und im Druckluftstrom zusammen mit dem zerstäubten Kunststoff versprüht, sodass Faserschnitzel und Kunststoffnebel beim Auftreten eine Form das Laminat ergeben. Pressmassen aus Kunststoff und Faserschnitzeln lassen sich wie die unverstärkten Kunststoffe durch Formpressen, Spritzpressen und Spritzgießen verarbeiten. Beim Nasswickeln werden die Faserstränge durch flüssigen Kunststoff hindurchgezogen, wobei sie sich vollsaugen. Anschließend werden sie aufgewickelt. Mit diesem Herstellungsverfahren können rotationssymmetrische Bauteile wie Rohre, Behälter und Tanks gefertigt werden. Beim Profilziehen werden Endlosprofile hergestellt. Dazu wird ein Bündel kunststoffgetränkter Faserstränge durch eine Profildüse gezogen, die das Faserbündel in die gewünschte Form bringt. Die Herstellung endloser, ebener oder gewellter Bahnen erfolgt mit dem so genannten kontinuierlichen Laminieren. Dazu werden auf einer Trennfolie fortlaufend Harz und Glasfasern aufgegeben und mit einer zweiten Trennfolie abgedeckt. Dieses Vorlaminat kann anschließend in einem Härteofen zu einer Wellbahn geformt werden. Vorlaminatabschnitte sind auch durch Vakuumtiefziehen formbar.
Prüfverfahren für Reibung und Verschleiß - Normen
Zur umfassenden Bewertung der Verschleißschutzeigenschaften tribologischer Werkstoffe sind standardisierte Prüfmethoden unverzichtbar, um eine Vergleichbarkeit von Messwerten zu gewährleisten. Für modelltribometrische Prüfverfahren sind in diesem Zusammenhang folgende Normen exemplarisch zu erwähnen.
DIN 51834-3:2008-12: Tribologische Prüfungen im translatorischen Oszillations-Prüfgerät -Teil 3: Bestimmung des tribologischen Verhaltens von Werkstoffen im Zusammenwirken mit Schmierstoffen – Diese Norm beschreibt ein Prüfverfahren zur Bestimmung des Reibungs- und Verschleißverhaltens von Werkstoffen in einer oszillierenden Linearbewegung. Als großer Vorteil kann die Flexibilität bei der Auswahl der zu prüfenden Werkstoffe und Prüfteilgeometrien sowie bei der Auswahl des Schmiermediums gelten, welches in diesem Zusammenhang auch Luft (also Trockenreibung) sein darf. Neben der zweidimensionalen Vermessung der Verschleißspuren auf Grund- und Gegenkörper sieht diese Norm auch ein einfaches Näherungsverfahren zur Berechnung der dreidimensionalen Verschleißvolumina an beiden Reibpartnern vor. Die amerikanische Normungsgesellschaft ASTM hat dieses Verfahren 2011 als allgemein auf SRV-Prüfungen anwendbare Norm verabschiedet (vgl. ASTM D7755-11).
ASTM D7217-11: Standardprüfmethode zur Bestimmung der EP-Eigenschaften von Gleitlacken unter Verwendung eines translatorischen Hochfrequenz-Oszillations-Prüfgeräts (SRV) – In der Prüfung nach dieser Methode zeigt sich die maximal tragbare Belastung eines Gleitlackes. Diese wird zum einen durch die Haftfestigkeit der Schicht auf dem Substrat, zum anderen durch die Druckfestigkeit bzw. die Härtegradienten zwischen Schicht und Substrat bestimmt. In diesem Verfahren wird die Normalkraft (respektive Flächenpressung) im Reibkontakt so lange schrittweise erhöht, bis die ersten Erscheinungen adhäsiven Versagens („Fressen“) an den Messsignalen von Reibung und Hub identifizierbar sind. Die letzte durchlaufene Kraftstufe ist dann die Gutlast, welcher eine Schicht ausgesetzt werden kann, ohne dass mit Schichtversagen zu rechnen ist. Dieses Ergebnis ist dann durch ein Prüfverfahren bei konstanter Belastung und längerer Prüfdauer (z.B: DIN 51834-3) im Hinblick auf Langzeitstabilität zu verifizieren.
ASTM D7594-11: Standardprüfmethode zur Bestimmung der Schwing-Verschleißbeständigkeit von Schmierfetten bei hohen Hertzschen Flächen-pressungen unter Verwendung eines translatorischen Hochfrequenz-Oszillations-Prüfgeräts (SRV) – In vielen Anwendungen wirkt eine - oft unerwünschte - hochfrequente Bewegungskomponente mit kleinen Auslenkungen und relativ geringen Flächenpressungen auf den Reibkontakt ein. Falls diese Belastungssituation (Fretting) nicht durch konstruktive Maßnahmen behoben werden kann oder aus anderen Gründen gar notwendig ist, wird zur Reduzierung des entstehenden Schwingverschleißes oft Abhilfe durch Schmierung oder Beschichtung gesucht. Schwingverschleißbeständigkeit lässt sich mit dieser Prüfung zeit- und kosteneffizient quantifizieren.
ASTM D7755-11: Standardprüfmethode zur Bestimmung des Verschleißvolumens an Standardprüfteilen nach Prüfung im translatorischen Hochfrequenz-Oszillations-Prüfgerät (SRV) – Die meisten tribometrischen Prüfverfahren sehen bis dato eine zweidimensionale Bestimmung von Verschleißgrößen – z.B. Kalottendurchmesser oder Spurtiefen – vor. Diese Methode bietet ein Verfahren zur volumetrischen Verschleißbestimmung auf Grundlage von zweidimensionalen profilometrischen Messgrößen an, womit eine direkte Berechnung von Verschleißkoeffizienten und Verschleißmassen möglich wird.
DIN EN 1071-12: Hochleistungskeramik - Verfahren zur Prüfung keramischer Schichten - Teil 12: Schwingungs-Verschleißprüfung; Deutsche Fassung EN 1071-12:2010 – Die o.a. Prüfmethoden werden bereits gezielt in werkstoffspezifischen Normen zur Quantifizierung von Verschleiß- und Reibungsverhalten eingesetzt.
ASTM G99-05: Standardprüfmethode zur Untersuchung von Verschleiß mit einem Stift-Scheibe-Prüfgerät – Diese Norm stellt die Grundnorm für die quantifizierende Prüfung von Verschleiß im rotierenden Modellsystem Stift-Scheibe dar. Bezugnehmend auf diesen Prüfaufbau existieren zahlreiche weitere ISO-, ASTM- und DIN-Normen, welche zur Verschleißcharakterisierung von Werkstoffpaarungen unter kontinuierlichem Gleiten und unter verschiedenen Aspekten dienen.
Kunststoffe, Elastomere
Elastomere – sind aus Makromolekülen aufgebaut, die verknäult (mechanisch verankert) und zusätzlich an wenigen Stellen weitmaschig vernetzt sind. Durch äußere Krafteinwirkung lassen sich Elastomere um mehrere hundert Prozent elastisch verformen und nehmen nach Wegnahme der Kraft wieder ihre alte Form an (elastisches Rückstellvermögen). Man nennt dieses mechanische Verhalten gummielastisch und Kunststoffe mit dieser Eigenschaft Elastomere. Durch Erwärmung wird das gummielastische Verhalten der Elastomere nur wenig verändert, sie werden lediglich etwas weicher. Bei zu starker Erwärmung zersetzen sie sich. Dadurch sind sie wie die Duroplaste nicht warm umformbar und nicht schweißbar.
Mechanische Eigenschaften von Elastomeren