Lösbare Krafteinleitungen Faserverbund

Composite Parts
Lösbare Krafteinleitungen in Faser-KunststoffVerbunde
White Paper
Lösbare Krafteinleitungen in Faser-Kunststoff-Verbunde
Abstract
Faser-Kunststoff-Verbunde bieten aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften – geringe Dichte bei gleichzeitig hohem Elastizitätsmodul
und hoher Festigkeit – ein enormes Leichtbaupotenzial. Insbesondere im Maschinenbau können die bestehenden Leistungsgrenzen
konventioneller Werkstoffe durch Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV)
überwunden werden.
Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung von FKV-
Bauteilen ist die Schnittstelle zu metallischen Komponenten, z. B.
Lagerung von Carbonachsen und Anschrauben von Führungsschienen. Hierbei sind meist lösbare Schraubverbindungen zu realisieren.
Im Gegensatz zu Metall fehlen jedoch allgemeingültige Konstruk
tionsrichtlinien zur Auslegung dieser hybriden Schnittstellen.
CFK Achsen für den Werkzeugmaschinenbau
In diesem White Paper wird gezeigt, dass die Belastbarkeit einer
lösbaren Schraubverbindung in Faserverbund ähnlich zu den Metallen ausgelegt werden kann.
Carbon Achse aus der Automatisierungstechnik mit lösbaren Krafteinleitungen
2
Inhalt
Abstract�� 2
1. Einleitung �� 4
1.1 Annahmen und Randbedingungen �� 5
1.2 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung�� 5
2. Gewindeeinsatz MUBUX®-MO�� 6
2.1 Auszugsversuche: quasiisotropes Laminat�� 7
2.2 Auszugsversuche: UD-Laminat�� 8
3. Zusammenfassung�� 9
4. Literaturverzeichnis�� 10
3
1. Einleitung
Zur Realisierung einer demontierbaren Verbindung zweier Komponenten haben sich lösbare Krafteinleitungen bei Metallen als
Standard etabliert. Beispielsweise ist die Auslegung von Schraubverbindungen in der VDI 2230 [7,8] normiert und die erreichbare
Versagenskraft kann anhand von Tabellenbüchern abgelesen
werden. Es herrscht ein enorm großer Erfahrungsschatz bei der
Auslegung von lösbaren Schraubverbindungen bei Metallen, wodurch sich ein starkes Vertrauen in diese Verbindungsart über die
Jahrzehnte ausgebildet hat.
Im Maschinenbau haben sich in den letzten Jahren Leichtbaukomponenten aus CFK (Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff) etabliert.
Insbesondere Carbonachsen sind – aufgrund der herausragenden
spezifischen Eigenschaften von CFK [2] – heutzutage als Standard
zu betrachten. Zur Anbindung dieser Bauteile gibt es eine Vielzahl
von Möglichkeiten. Abbildung 1 zeigt die gängigsten Verbindungsarten. Zusätzlich werden vielfach Sonderlösungen entwickelt, die
allein aus Kostensicht unattraktiv sind. Des Weiteren stellt sich bei
Sonderlösungen immer die Frage der realisierbaren Versagenslast
und der Langzeiterfahrung. Diese Fragen müssen im Regelfall in
aufwändigen Versuchen experimentell beantwortet werden.
Abbildung 1: Übersicht einer Auswahl zur Realisierung von lösbaren Schraub
verbindungen in Faser-Kunststoff-Verbunde.
Die Problematik beim Einsatz von CFK-Komponenten ist, dass der
heterogene Werkstoff CFK aus Kohlenstofffasern und einem Kunststoff aufgebaut ist, wodurch neue Freiheitsgrade bei der Auslegung
von Schraubverbindungen zu berücksichtigen sind [6]. Eine schnelle
und einfache Auslegung der Schraubverbindung ähnlich zu den
Metallen ist bislang nicht möglich. Der FKV-Konstrukteur benötigt
folglich einfache Auslegungsrichtlinien, die bereits im Vorfeld die
Frage nach der Versagensgrenze und dem Langzeitverhalten beantworten. Dieses Whitepaper zeigt Ergebnisse von Grundlagenuntersuchungen zu lösbaren Krafteinleitungen mit Gewindeinserts
MUBUX®-MO von Kerbkonus. Dieses Gewindeinsert gehört zu der
Klasse „Einschrauben in ein vorgeschnittenes Gewinde“. Das bedeutet, dass zuvor in den CFK-Verbund ein Regelgewinde geschnitten
werden muss.
Mit den Ergebnissen der Grundlagenuntersuchungen kann eine
erste Grobdimensionierung der Krafteinleitung durchgeführt werden. Zur abschließenden Beurteilung müssen jedoch noch weitere
Randbedingungen berücksichtigt werden.
4
1.1 Annahmen und Randbedingungen
Die in den Kapitel Gewindeeinsatz MUBUX vorgestellten Ergebnisse
basieren auf folgenden Annahmen und Randbedingungen:
Schraubverbindung hat. Zur Auswahl des Versuchsaufbaus werden
folgende Vorüberlegungen getroffen:
1. CFK-Prepreg-Laminate bestehend aus einer High-TenacityFaser (HT-Faser) und duromerer Matrix (EP-Harz).
– kleine Verformungen der Fügepartner, d. h. ein Klaffen der
Fügepartner ist nicht zulässig
– Mehrfachverschraubung, d. h. die Fügepartner sind in der
Krafteinleitungszone parallel zueinander und überlagerte Biege
spannungen durch große Bauteilverformungen werden nicht
berücksichtigt.
2. Prepregpressen als Herstellprozess der Probekörper
3. Untersuchung von Grenzlaminaten (unidirektional und quasiisotrop) zur Abbildung eines großen Orthotropiebereichs.
4. Gewinde der Schraube mit Festigkeitsklasse 8.8: M4…M6
5. Laminatdicke der CFK-Probekörper: 2…10mm
6. Untersuchung eines Serien-Krafteinleitungselements:
MUBUX®-MO von Kerbkonus
Insbesondere die im Maschinenbau übliche Mehrfachverschraubung
reduziert den Versagensmechanismus auf ein einfaches Scher
versagen der Schraubverbindung. Hierfür eignet sich der in Abbildung 2 dargestellte Versuchsaufbau.
Zu 1) und 2) CFK-Laminat und Herstellverfahren
Die verwendeten Probekörper sind ausschließlich aus Prepreg mit
einer Standard HT-Faser und einer Epoxidmatrix hergestellt. Es
handelt sich um ein heißhärtendes, zähmodifiertes Epoxidharz mit
einer Glasübergangstemperatur von etwa 140 °C. Der Faservolumenanteil liegt bei etwa 50 %. Die generischen Probekörper zur
experimentellen Untersuchung wurden im Heißpressverfahren
hergestellt.
Zu 3) Untersuchung von Grenzlaminaten (UD und quasiisotrop)
Es ist davon auszugehen, dass die Ausreißkraft einer lösbaren
Schraubverbindung vom Laminataufbau abhängig ist. Zur Reduzierung der Versuchsvielfalt werden die Extrema UD-Laminat und
quasiisotropes Laminat mit einem Orthotropiegrad von 18,5 bzw.
1 betrachtet.
Zu 4) und 5) Gewinde und Laminatdicke
Die eigenen Erfahrungen als Maschinenbauer zeigen, dass für Krafteinleitungen in Carbonstrukturen meist metrische Gewinde M4…
M6 verwendet werden können. Aus diesem Grund werden die
nachstehenden Untersuchungen auf diese Gewindegrößen beschränkt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass der Versagens
mechanismus bei größeren Gewindetypen ähnlich ist und daher ein
äquivalentes Vorgehen zur Auslegung von Schraubverbindungen
möglich ist. Die untersuchten Laminatdicken betragen zwischen
2…10mm.
Abbildung 2: Versuchsaufbau zur Ermittlung der Ausreißkraft lösbarer Schraubverbin
dungen (aus [4]).
Um die Wichtigkeit des Versuchsaufbaus zu demonstrieren wurden
anfangs Vorversuche mit dem Krafteinleitungselement MUBUX®-MO
ohne und mit Buchse durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Versagenskräfte ohne Buchse etwa 45 % unter den Versagenskräften mit
Buchse lagen. Dieses Ergebnis ist auf die überlagerte Biegung in
der Nähe des Gewindeinserts zurückzuführen, d.h. die Platte konnte
sich stark verformen. Darüber hinaus ist zu schlussfolgern, dass die
folgenden Ergebnisse nicht auf eine Ein-Schraubenlösung übertragbar sind.
1.2 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
In [1] wurde bereits gezeigt, dass das Testverfahrens einen bedeutenden Einfluss auf den zu prüfenden Werkstoffkennwert aufweisen
kann. Auch hier ist zu vermuten, dass der Versuchsaufbau einen
entscheidenden Einfluss auf die Ausreißkraft einer lösbaren
5
2. Gewindeeinsatz MUBUX®-MO
Der Gewindeeinsatz MUBUX®-MO zählt zur Gruppe der Einsätze, die
in ein vorgeschnittenes Gewinde eingeschraubt werden (Abbildung
3). Der MUBUX®-MO besteht aus Stahl, ist verzinkt und gelb chromatiert. Zusätzlich ist das Außengewinde mit Precote® 80 beschichtet [3]. Dabei handelt es sich um eine lackähnliche und lösungsmittelfreie, reaktive Beschichtung auf Basis mikroverkapselter Acrylate.
Die Beschichtung soll das Außengewinde sowohl sichern als auch
abdichten [5].
Bei der Realisierung einer lösbaren Schraubverbindung in einem
Laminat sind – neben der hier untersuchten statischen Ausreißkraft
– folgende Aspekte zusätzlich zu berücksichtigen:
– Elektrochemische Korrosion
– Kriechen und Relaxieren der Vorspannung
– Temperatureinsatzgrenzen
– Dynamische Lastwechselspiele
Im Folgenden werden experimentelle Ergebnisse aus quasistatischen
Ausreißversuchen dargestellt und interpretiert. Eine Dimensionierung basierend allein auf diesen Ergebnissen ist nicht möglich, sie
bilden jedoch eine notwendige Voraussetzung zur Auslegung einer
lösbaren Krafteinleitung.
Abbildung 3: MUBUX®-MO-Gewindeeinsatz [4].
6
2.1 Auszugsversuche:quasiisotropes Laminat
In Abbildung 4 sind die Ergebnisse der Zugversuche von CFK-EP-
Proben mit MUBUX-Gewindeeinsätze dargestellt. Zusätzlich sind die
Zugfestigkeiten der jeweiligen Schrauben dargestellt. Das Erreichen
der Zugfestigkeit bedeutet im Umkehrschluss, dass die Schraube
und nicht das Laminat versagt.
Für den untersuchten Parameterbereich können folgende Kernaussagen aus Abbildung 4 getroffen werden:
– Die Versagenskraft steigt mit der Laminatdicke und dem
Gewindedurchmesser
– Um ein Laminatversagen zu erreichen, sollte die Laminatdicke
und somit die Mindesteinschraubtiefe des MUBUX größer gewählt
werden als der Gewinde-Nenndurchmesser.
Das Versagensbild vor Erreichen der Schraubenbruchkraft – bei dünneren Laminaten – ist durch ein Schubversagen der Gewindezähne
gekennzeichnet (Abbildung 5). Der Gewindeeinsatz wird aus dem
Laminat geschert und somit herausgezogen. Bei diesem Versagen
handelt es sich um ein Fail-Safe-Verhalten, welches prinzipiell bei
der Auslegung von Maschinenkomponenten bevorzugt wird.
Bei der Montage Schraube ist insbesonder auf den Verlauf der
Schraubenvorspannkraft zu achten. Bei Überlast kann die Verbindung MUBUX®-Laminat versagen und der MUBUX® wird an den
Fügepartner gezogen. Nachdem der MUBUX® mit dem Fügepartner
auf Block liegt kann die Schraubenvorspannung wieder erhöht
werden. Das Anziehen der Schraubenvorkraft kann somit möglich
sein, obwohl die Verbindung versagt ist.
Diese Untersuchung zeigt, dass die Abhängigkeiten einer Schraubverbindung in CFK ähnlich zu den Metallen sind. Es scheint als
könnte eine statische Dimensionierung anhand der Mindesteinschraubtiefe durchgeführt werden. Es bleibt offen, ob die statische
Versagenslast vom Orthotropiegrad abhängig ist.
Abbildung 4: Ergebnisse der Auszugsversuche von MUBUX®-Gewindeeinsätzen in
quasiisotropen CFK-EP-Proben (nach [4]).
Zugkraft
sukzessives
Ausreißen
Abbildung 5: Repräsentatives Versagensbild eines MUBUX®-Gewindeeinsätzen bei zu
geringen Einschaubtiefen (aus[4]).
7
2.2 Auszugsversuche: UD-Laminat
Die Ergebnisse der Auszugsversuche von MUBUX-Gewindeeinsätzen
in unidirektionalen CFK-EP-Proben sind in Abbildung 6 dargestellt.
Auch hier sind die Versagenslasten vom Durchmesser und von der
Einschraubtiefe abhängig. Ab einer bestimmten Einschraubtiefe des
MUBUX®-MO kann die Schraubenbruchkraft erreicht werden.
Im Vergleich zu Abbildung 4 sind die notwendigen Mindesteinschraubtiefen auf einem ähnlichen Niveau wie bei dem quasiisotropen Laminat. Das bedeutet, dass die Versagensgrenzen scheinbar
nicht vom Orthotropiegrad abhängig sind.
Versagt die lösbare Krafteinleitung vor Erreichen der Schraubenbruchkraft, tritt fast ausschließlich ein axiales Spalten auf. Das uni
direktionale Laminat versagt folglich auf Querzug. Dieses Versagensbild ist für den Verbund nicht tolerierbar, das es sich nicht um
ein Fail-Safe-Versagen handelt. Ein Versagen tritt schlagartig ein,
was für eine Strukturkomponente fatal ist.
Aus dem Versagensbild kann der Faserverbund-Konstrukteur ab
leiten, dass eine lösbare Schraubenverbindung mit MUBUX® mit
multi-direktionalen und nicht mit unidirektionalen Laminataufbauten
realisiert werden sollte.
Des Weiteren ist aus den Versuchen zu schlussfolgern, dass die
Mindesteinschraubtiefe des MUBUX®-MO mindestens der Laminatdicke entsprechen muss, um die Schraubenbruchkraft zu über
tragen. Mit dieser konstruktiven Empfehlung kann der Konstrukteur
eine erste Grobauslegung einer lösbaren Krafteinleitung mit
MUBUX®-MO durchführen.
Abbildung 6: Ergebnisse der Auszugsversuche von MUBUX®-Gewindeeinsätzen in
unidirektionalen CFK-EP-Proben (nach [4]).
Zugkraft
Spalten des
Laminats
Abbildung 7: Repräsentatives Versagensbild eines UD-Laminats bei zu geringer Ein
schraubtiefe (nach [4]).
8
3. Zusammenfassung
In dieser Untersuchung wurde die statische Ausreißkraft von
MUBUX®-Gewindeeinsätzen untersucht. Hierzu wurden Ausreiß
versuche an unidirektionalen und quasiisotropen Laminaten in
Abhängigkeit der Laminatdicke durchgeführt. Es hat sich gezeigt,
dass die Laminatdicke einen entscheidenden Einfluss auf die
Versagenskraft aufweist.
Aus den Versuchen kann geschlussfolgert werden, dass eine lös
bare Krafteinleitung mit MUBUX® bis zur Bruchkraft einer Schraube
der Festigkeitsklasse 8.8 dimensioniert werden kann. Hierzu ist die
konstruktive Empfehlung einzuhalten, dass die Laminatdicke größer
als der Schraubennenndurchmesser zu wählen ist.
Zur betriebssicheren Auslegung einer lösbaren Schraubenverbindung
sind jedoch noch weitere Mechanismen wie Kriechen und Relaxieren, Temperatureinsatzgrenzen, elektrochemische Korrosion und
dynamische Lastwechselspiele zu berücksichtigen. Eine Dimensionierung allein mit der statischen Bruchlast ist nicht ausreichend,
sie bietet jedoch einen ersten Anhaltspunkt zur Auswahl einer
Mindestlaminatdicke.
Der Konstrukteur hat mit diesen Ergebnissen nun ein einfaches
Werkzeug zur Grobauslegung einer lösbaren Schraubenverbindung
mit MUBUX®-MO zur Hand.
9
4. Literaturverzeichnis
[1] Bleier, A.: Prüfverfahren zur Bestimmung exakter Kennwerte
einer unidirektionalen Schicht unter besonderer Berücksichtigung physikalischer Nichtlinearitäten, TU-Darmstadt, Dissertation D17, Shaker Verlag, 2012
[2] Bleier, A.: Sinnvolle Einsatzmöglichkeiten von CFK im Maschinenbau. Whitepaper, www.karlmayer-composites.com, 2012
[3] Kerb-Konus: Kerb-Konus-Vertriebs-GmbH
www.kerbkonus.de/proddb/pdfframe.php?pdf=de.
ds.20.9700&lang=de , abgerufen am 17.08.2015
[4] Edelmann, M.: Analyse und Dimensionierung von metallischen Gewindeinserts zur Realisierung lösbarer Schraubverbindungen in FKV-Bauteilen, Hochschule Mannheim, Master
arbeit, 2013
[5] OmniTECHNIK: OmniTECHNIK Mikroverkapselungs GmbH, URL:
www.precote.com, abgerufen am 17.08.2015
[6] Schürmann, H.: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden.
Berlin Heidelberg New York: Springer-Verlag, 2. bearbeitete
und erweiterte Auflage, 2007
[7] Richtlinie VDI 2230, Blatt 1: Systematische Berechnung
hochbeanspruchter Schraubenverbindungen – Zylindrische Einschraubenverbindungen, Dezember 2014
[8] Richtlinie VDI 2230, Blatt 2: Systematische Berechnung
hochbeanspruchter Schraubenverbindungen – Mehrschraubenverbindungen, Dezember 2014
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