Verbundwerkstoffe Stahlhülse optimiert Krafteinleitung bei Zugstangen aus Composites

Eine Schwachstelle von Endlosfaser-Verbundwerkstoffen ist die Krafteinleitung. Zur Herstellung von Zugstangen werden diese hochbelastbaren Composites daher in einer Stahlhülse so verpresst, dass der Faserverlauf wellenförmig ist. Die Ergebnisse sind eine gleichmäßige Krafteinleitung und somit eine erhöhte Systemfestigkeit.

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Endlosfaser-Verbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix eröffnen dem Konstrukteur neue Gestaltungsfreiheiten bei auf Zug beanspruchten Bauteilen. Das verdeutlicht das jüngste Produkt des österreichischen Kunststoff- und Halbzeugspezialisten Faigle, Hard, im Bereich Composites: die Entwicklung Igorex, die im Pultrusionsverfahren aus unterschiedlichen Werkstoffkomponenten zu Stäben und Profilen verarbeitet wird. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es von ausschlaggebender Wichtigkeit, die Krafteinleitung in die Bauteile konstruktiv optimal zu gestalten.

Verbundwerkstoff ideal für Zugbeanspruchung

Weil dieser Verbundwerkstoff in Längsrichtung der Endlosfasern sehr hohe Zugkräfte aufnimmt, ist er für die Herstellung von Bauelementen prädestiniert, die auf Zug beansprucht werden. Ein aktuelles Beispiel dafür sind nur 7 mm dünne, endlosfaserverstärkte Zugstangen mit Polypropylenmatrix (Igorex PP), die einer Belastung bis 19000 N standhalten (Bild 1).

Die Zugstangen ermöglichen somit eine Systemzugfestigkeit von 493 N/mm2. Bei einer Werkstofffestigkeit von 700 N/mm2 entspricht das einem Wirkungsgrad von 70%.

Endlosglasfasern gegen Knickung empfindlich

Allerdings sind die in der thermoplastischen Matrix eingebetteten Endlosglasfasern gegen Knickung empfindlich. Deshalb erfordert die Krafteinleitung eine entsprechende konstruktive Gestaltung.

Eine Klemmung des Bauteils erreicht nur einen geringen Wirkungsgrad, denn die Krafteinleitung belastet nur dessen äußerste Fasern. Dagegen werden die Fasern im Inneren nur über die Scherfestigkeit der Matrix mitbelastet werden. Die innersten Fasern tragen also wenig zur Festigkeit des Bauteils bei. Einen ausgezeichneten Wirkungsgrad erzielt jedoch der Formschluss zwischen dem Zugelement aus Endlosfaser-Verbundwerkstoff und dem Krafteinleitungspartner.

Stahlhülse erreicht fast Maximalwert einer optimalen Kraftübertragung

Bei der Entwicklung einer formschlüssigen Krafteinleitung bestand einer der ersten Lösungsansätze darin, das Ende des Zugelements bis zum Schmelzpunkt der Matrix zu erwärmen und durch Eintreiben eines Dornes zu erweitern. Über dieses erweiterte Ende wurde dann die Kraft mit formschlüssig passenden Bauteilen in den Zugstab geleitet. Weil bei dieser Lösung die Fasern jedoch stark gekrümmt wurden, erreichte diese Art der Kraftübertragung noch keine zufriedenstellenden Werte.

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