Festigkeit vs. Steifigkeit

[Gideon]

Das Video zeigt anschaulich den Unterschied zwischen Festigkeit und Steifigkeit bei pultrudierten UD-Profilen aus CFK.

https://www.youtube.com/embed/gaKdjbcYxT0?wmode=opaque&start=0

Beide Profile haben einen identischen Querschnitt. Grob runtergebrochen:

• Festigkeit = höhere Krafteinleitung
• Steifigkeit = geringere Auslenkung bei gleicher Kraft

Soll eine Tragfläche eine möglichst geringe Durchbiegung bei einem örtlich begrenzten Bauraum haben, so ist es angezeigt, eine Faser mit höherer Steifigkeit (höherem Zug-E-Modul) einzusetzen. Im Idealfall ist der Gurtquerschnitt dabei so groß gewählt, dass es im Lastfall nicht zum Überschreiten der Festigkeitsgrenzen kommt. In der Regel baut man hier aber mehrfache Sicherheiten ein.

Low elongation = geringe Bruchdehnung. Das ist prinzipiell auch schon der größte Nachteil bei CF-Fasern mit Steifigkeiten > 300 GPa.

 

[quirli]

Schöner Vergleich!
Gerade bei Tragflächen sollte man aber nicht nur an die Lastfälle im Flug denken.
Bei sehr steifen Ausführungen (egal ob mit kleinen Querschnitten und Materalien mit hohem E-Modul oder hohen Querschnitten mit hohem Trägheitsmoment) kann der Landestoß zur Überbelastung führen. Werden Materalien mit höherer Dehnfähigkeit (niedrigerer E-Modul) verwendet, treten diese punktuellen Lastspitzen i. d. R. nicht auf.

Grüße
Klaus

 

[Claus Eckert]

Danke für die Erklärung und den Videolink, Stefan.
Auch hier gilt die alte Erkenntnis:
“Was sich biegt, das bricht nicht.“

 

[Milan]

Ich habe die Erfahrung gemacht, das bei einer Tragfläche mit einem Holm bestehend aus Gurten und einem Steg, die Fasern eher einknicken als abreißen.
Schön zu sehen bei Tragflächen die nicht vollständig abgebrochen sind.

 

[LarsBraun]

Wenn es zu einem Material oder Materialverbund ein Diagram vom E-Modul über die Last gibt, kann man es perfekt voraussagen. Sofern man die Lasten kennt. Sieht man zb sehr schön wenn man verschiedene Aluminium oder vergleicht. Bei Geweben ist es halt wegen der Faserrichtung und dem tatsaechlichen Harzanteil sehr schwierig zu rechnen. Zumindest im Hobbybereich…

 

[Gideon]

Schöner Vergleich!
Gerade bei Tragflächen sollte man aber nicht nur an die Lastfälle im Flug denken.
Bei sehr steifen Ausführungen (egal ob mit kleinen Querschnitten und Materalien mit hohem E-Modul oder hohen Querschnitten mit hohem Trägheitsmoment) kann der Landestoß zur Überbelastung führen. Werden Materalien mit höherer Dehnfähigkeit (niedrigerer E-Modul) verwendet, treten diese punktuellen Lastspitzen i. d. R. nicht auf.

Grüße
Klaus

Ein niedrigerer E-Modul bedeutet nicht zwangsläufig eine höhere Dehnfähigkeit der Faser. Eine Bruchdehnung über 1,5 % und eine Zugfestigkeit über 3.500 MPa sind schonmal kein schlechter Anhalt für ein robustes Laminat. Meine Empfehlung ist, wenn immer verfügbar und möglich, eine Intermediate Modulus-Faser zu verwenden, da hier größtmögliche Robustheit gegeben ist. Beispiele sind hier Fasern wie Tenax IMS65 oder Torayca T800.

 

[Steffen]

eine Zugfestigkeit über 3.500 MPa sind schonmal kein schlechter Anhalt für ein robustes Laminat.

Da meinst Du aber die Faserfestigkeit, oder?

 

[Gideon]

Ja, die reinen Faserdaten. Laminatkennwerte gibt es nicht durch die Bank vergleichbare. Zudem meist nur mit hohen Vf und speziellen Harzsystemen.

 

[StratosF3J]

Hi zusammen,

Frage an die Experten.
Wenn ich einen Rumpf aus CFK aufbauen will, dann nehme ich Fasern mit einer höheren Festigkeit und einer höheren Bruchdehnung. Sehe ich dies so richtig?

 

[dschim]

Rumpf = T-Fasern (tensile = Zugfestigkeit, je höher desto fester)
Tragflächen = M-Fasern (modulus = E-Modul, je höher desto steifer)
Oder wie Stefan schon schreibt intermediate ..... wenn man die Zerstörfestigkeit im Betrieb noch mit nimmt.

Man kann einen Rumpf natürlich auch aus M-Fasern bauen - speziell wenn die Querschnitte bescheiden sind.
Die M-Fasern brechen aber sehr leicht .... merkt man spätestens dann wenn der Radius in der Form kleiner 5mm wird.

 

[Gideon]

Das Gesagte gilt aber ausschließlich für Kohlenstofffasern der japanischen Firma Toray:

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Torayca®, ein Sortiment von Referenz-Carbonfasern mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften und Schlichten, wurde entwickelt, um eine auf Ihre Projekte abgestimmte Lösung zu erbringen.

toray-cfe.com

 

[dschim]

as Gesagte gilt aber ausschließlich für Kohlenstofffasern der japanischen Firma Toray:

Hallo Stefan - da hast du wahrscheinlich recht - das war während meines Praxissemesters wohl der Hauslieferant bei Dornier ;-).

 

[Gideon]

Hier Laminatkennwerte zu den oben besprochenen Fasertypen:

Torayca T800S (intermediate modulus) als UD-Prepreg (ER450 mit 300 g/m²)

Torayca M46J (high modulus) als UD-Prepreg (ER450 mit 200 g/m²)

Quelle: Composite Materials (Italy) s.r.l.

 

[StratosF3J]

Hallo zusammen,

ich habe gerade nach Anbietern für das T720SC in einer Grammatur von 100g/m² bis 200g/m². Leider nichts gefunden.

Könnt ihr mir da weiterhelfen? Gibt es denn sowas für einen normal sterblichen zu kaufen? Oder ist der Preis bzw. die Nachfrage so unterirdisch :-).

Meine Idee ist. mit diesem Material mal eine Rumpfröhre inkl. SR-Flose aufzubauen. Von den Werten her sieht das nicht schlecht aus.

Gruß
Thomas

 

[Gideon]

Hi Thomas,
ab jetzt wird’s hier wieder unübersichtlich, das finde ich etwas schade. Mach doch gerne ein eigenes Thema auf. Die Torayca T700SC ist bei den hochfesten Fasern übrigens Standard und meist auch in kleineren Mengen als UD erhältlich. während die T720SC speziell für H2-Tanks in Automotiveprojekten entwickelt worden und mit einem Titer von 24k recht heavy ist. Gibt’s also nur in industrieüblichen Mengen als Garn und dann brauchst Du noch einen, der das zu einem UD weiterverarbeiten kann.