Alu-GFK/CFK Composite

Hallo,
bei meiner Frage geht diesmal nicht um Modellbau, ich weiss aber kein anderes Forum, in dem so kompetente Leute zu dem Thema sind.

Ich habe ein Mountainbike mit einem Rahmen aus 7005er Alu, dass ich im Bereich des Steuerrohres (als da, wo die Gabel drinsteckt) verstärken möchte. Grund: Das Rad wird für Sprünge eingesetzt, für die es eigentlich nicht gebaut ist.

Da hat sich mein Modellbauer-Ideenfundus gleich zu Wort gemeldet: Könnte man den Alu-Rahmen mit GFK oder CFK dort beim Übergang vom Steuerrohr auf den Rest des Rahmen gezielt verstärken? Modellbau-Erfahrung mit dem Zeug habe ich ja.

Die Idee ist nun, mit GFK oder CFK Gewebe kreuzweise Verstärkungsmanschetten anzubringen. Das Steuerrohr dat einen Durchmesser von ca. 30 mm und geht in ein einziges ovales Rohr mit den Abmessungen 30 *70 mm über Ein Zusatzgewicht von 200 - 300 gr. Gewebe oder Rovings und nochmal soviel Harz wäre OK.

Mein Problem ist nun, dass ich bei einer solchen Composite-Bauweise überhaupt nicht abschätzen kann, ob die Materialeigenschaften sich sinnvoll ergänzen. Deshalb auch meine Angabe des Alu-Typs: 7005. Es nützt natürlich nichts, wenn die GFK/CFK-Verstärkung so elastisch ist, dass erst das Alu bricht und dann die gesamte Last vom GFK/CFK getragen werden muss. Ich habe da leider keine Info.

Kennt sich da jemand aus?

Dank und Gruß
Uli
 

Gideon

Vereinsmitglied
Ich behaupte mal vorsichtig, dass man hochfeste Alu-Legierungen 1:1 mit CFK substituieren kann. Mechanisch betrachtet sind die Werte recht ähnlich.

Das Problem scheint nur die " Kontaktkorrosion" zu sein. Das kann aber durch eine Isolierung mit einer Glaslage im Kontaktbereich verhindert werden.

Es würde Sinn machen, hier zunächst mit einer Rovingwicklung zu arbeiten und darauf dann entsprechende Gewebelagen zu laminieren.

Ich kenn das Spiel aber eher andersherum : Kohlerohre mit Alu-Muffen

Warst du schon im R&G Forum ?


Grüsse
Stefan
 
Hallo Stefan,
danke für den Tip mit dem R&G-Forum.
Meinst Du mit Kontaktkorrosion, dass sich an der Verbindung zwischen dem Alu und der Kohle bald ein Koorosionsschicht bilden könnte, die dann verhindert, dass beides eine stabile Einheit bildet?

Käme auch ein Verstärkung nur mit Glas in Frage?

Gruß
Uli
 
Hallo Stefan,
Kontaktkorosion: aha. Also zunächst ein dünne GFK-Schicht, oder?

Warum nicht GFK für die gesamte Verstärkung? Passt das mechanisch nicht?

Gruß
Uli
 

Gideon

Vereinsmitglied
Hallo Uli,

entschuldige meine Einsilbigkeit: CFK + Alu passen rein festigkeitsmässig besser zusammen.


Stefan
 

Gideon

Vereinsmitglied
Gideon schrieb:
Ich behaupte mal vorsichtig, dass man hochfeste Alu-Legierungen 1:1 mit CFK substituieren kann. Mechanisch betrachtet sind die Werte recht ähnlich

Aramid halte ich für weniger geeignet:

1. E-Modul nur etwas über Glas und die Zugfestigkeit ist wesentlich geringer.

2. Schlecht nachzubearbeiten.

Zitat R&G Handbuch: Die Dehnung von CFK ist vollelastisch, Ermüdungsbeständigkeit und Vibrationsdämpfung sind hervorragend.


Stefan
 
Hallo,
vielen Dank für all Eure Antworten. Alles zusammengenommen erscheint mir die ganze Aktion doch etwas riskant. Oder sagen wir es so, ich würde nur den Misserfolg bemerken (Rahmen bricht an der verstärkten Stelle) und bei Nicht-Brechen wüsste ich nicht, obs jetzt an der Verstärkung liegt oder der Rahmen sowieso gehalten hätte. Damit machts dann keinen so grossen Spass mehr.

Viele Grüße
Uli
 
Stefan,
der Verbund Aramid mit Aluminium ist schon in Ordnung, wird im Flugzeugbau eingesetzt unter der Bezeichnung ARALL. Ich hatte bei der DLR einen Kollegen aus den Niederlanden der auf diesem Thema promoviert hat. Das Ermüdungsverhalten dieses Verbundes wird durch die Aramidlage deutlich verbessert, da die Fasern den Rißfortschritt des Aluminiums aufhalten.
 

Gideon

Vereinsmitglied
Hallo Christian,

danke für Deine Antwort! Ich dachte als Matrix an L 20 + entsprechende Härter - könntest Du dem beipflichten ?

Grüsse
Stefan
 
Wir hatten damals (80iger Jahre) auch das L20 und das Epicote162 verwendet, das geht auf jeden fall. Das Alu muß nur fettfrei gemacht werden mit Aceton oder ähnlichem.
 

Gast_8039

User gesperrt
Hallo!
Achtung! CFK hat, auch verglichen mit den im Rahmenbau üblichen hochfesten Alu-Legierungen, wesentlich höhere Steifigkeitswerte sowie -und das ist die Hauptkrux- stark anisotrope Eigenschaften. Somit wird, sobald Du den Lenkkopf mit CF versteifst, nurmehr die CF-Lagen tragen können, die entsprechend für die Gesamtlast auszulegen sind. Dazu kommt das Thema Wärmeausdehnungskoeffizient: bei der CF-Faser liegt ein negativer Wärmeausdehnungskoeffizient in Faserrichtung vor sowie ein (verglichen mit Alu) wesentlich höherer positiver W.-Koeffizient der Matrix quer zur Faser. Die dadurch entstehenden Spannungen im Verbund mit Alu können nur durch Schubspannungen im Klebe "spalt" übertragen bzw. aufgenommen werden. Daher ist auf die Anbindung Metall/CFK höchster Wert zu legen, sowie auf einen harmonisch auslaufenden Kraftfluss in Richtung Alurahmen. Einfach anschleifen und entfetten, dann Drauflaminieren wird wohl mit ziemlicher Sicherheit zur Delamination führen. Ohne dass die Alu-Oberfläche bestens vorbereitet ist und ohne Behandlung mit einem speziellen Klebeharz auf PUR- oder EP-Basis würde ich das jedenfalls nicht wagen.
Ein Vorteil hat die geringe Bruchdehnung von CFK allerdings: bevor der Rahmen durchreißt, wirst Du im CFK außen schon die Risse sehen...
Kontaktkorrosion sehe ich nicht als das Wesentliche Problem. Insbesondere dann nicht, wenn das Klebeharz die "Sperrschicht" bildet.
Gruß!
 

Gideon

Vereinsmitglied
Achim D. schrieb:
CFK hat, auch verglichen mit den im Rahmenbau üblichen hochfesten Alu-Legierungen, wesentlich höhere Steifigkeitswerte sowie -und das ist die Hauptkrux- stark anisotrope Eigenschaften.

Jede im Faserverbund eingesetzte Verstärkungsfaser hat doch anisotrope Eigenschaften - deshalb wird ja auch in der Regel ein quasiisotroper Aufbau angestrebt.

Ein entsprechend elastifiziertes EP-Harz zum Kleben wäre auch mein Vorschlag (Stichwort Zugscherfestigkeit) - dann wären aber Schalen zu laminieren, die in einem 2. Arbeitsgang zu verkleben sind.

Bist Du etwa bei Bertrandt in Ehningen ?

Grüsse
Stefan
 

Gast_8039

User gesperrt
Hi Stefan,
Jede im Faserverbund eingesetzte Verstärkungsfaser hat doch anisotrope Eigenschaften
Klar! Nur, bei CF ist der Effekt quer/längs aufgrund Wärmedehnung und mech. Unterschiede Faser/Matrix-eigenschaften eben besonders extrem.
Dazu kommt, dass m.E. für die Verstärkung (hier besser: Versteifung!) eines Lenkkopfs ein quasiisotroper Aufbau nicht in Frage kommt. Grund: wenig "flächig" tragende Struktur sowie ein stark komprimierter und gerichteter Kraftfluss. Beim Mountainbike ist ja der Lenkkopf neben dem Tretlagerbereich der vulnerable Punkt, insbesondere hinsichtlich Steifigkeit/ Zeitstandverhalten ist das wirklich nicht soooo ohne....
Bist Du etwa bei Bertrandt in Ehningen ?
Nö, aber fast richtig! Ich komme ganz aus der Nähe und würde gern wieder zurück, aber ich bin einer der wenigen die sich bisher vehement vor der Auto-Industrie drücken... zwar hätte man als Dipl. Ing. Kunststofftechnik sicher gute Chancen, aber nach wie vor arbeite ich lieber kreativ als am CAD... und daher hat`s mich seit paar Jahren nach München verschlagen... hier kann ich mich mit diversen Harzen und Fasern rumschlagen um komm auch in der Welt rum...
Aber Dich bringe ich irgendwie mit R&G in Verbindung, nicht wahr? Beiträge und Wohnort hegen in mir so den leisen Verdacht...:)
Grüße!
 
Composites und Aluminium

Composites und Aluminium

Einige Anmerkungen zum Thema:

1. Aluminium ist schwer zu verkleben bzw. mit einem Laminat zu kombinieren. Alu weist immer eine Aluminiumoxydschicht auf, die ein Verkleben stark behindert. Entfetten und Aufrauhen bringt etwas, aber nicht viel.
In der Luftfahrt werden Aluminimteile zuerst geätzt um die Oxydschicht zu entfernen und Mikroporen zu erzeugen, dann werden sie gebeitzt um ein erneutes Oxidieren zu verhindern und eine für den Klebstoff attraktive Oberfläche zu erzeugen.
Auch bei dem von Christian erwähnten ARALL bzw. Glare (ein "Laminat" aus mehreren dünnen Aluschichten mit dazwischen liegenden Aramid bzw. Glaslaminate wird dies so gemacht.
Mittlerweile gibt es Klebstoffe, die das Ätzen und Primern in einem miterledigen, ist aber sehr schwer dranzukommen. Henkel (ja, ja, die mit dem Persil) stellen so etwas her.

2. Laminierharze sind recht schlechte Klebeharze und können Schubspannungen zwischen Laminaten und Aluminium nur in geringem Maße übertragen. Delaminationen sind die Folge.

3. Aramid ist eigentlich nur gut bei Zugspannungen in Faserrichtung. Kompression, also Druck in Faserrichtung, mag sie nicht, die Faser fibrilliert.
Belastungen quer zur Faser und Schubspannungen nimmt sie auch übel, auch hier zerlegt sie sich in ihre einzelnen Fibrillen. Deshalb ist sie so schwer zu schneiden. Weiter erschwerend: Sie ist an der Oberfläche inert, die Haftung zum Harz ist schlecht. Haftvermittelnde Schlichten auf der Faser bringen nichts, deshalb sollte man bei Geweben immer darauf achten, daß es gewaschen und entschlichtet ist.
Bei schockartiger Belastung delaminiert ein Laminat daher schnell und jedes Filament zerlegt sich in einzelne Fibrillen. Zugspannungen kann sie dann aber sehr gut aufnehmen, daher wird sie in schußsicheren Helmen und Westen sowie zur Fahrzeugpanzerung eingesetzt.
An Deinem Fahrrad hat sie also nichts verloren!

Alles in allem: Ein schwieriges Unterfangen.

Michael
 
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