Gerhard Stelzer

• Bei diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffen kann sowohl während des Compoundierens wie auch bei der Verarbeitung zum Fertigteil, durch Wechselwirkung zwischen den Fasern, der Fasern mit Maschinenkomponenten oder auch mit Zusatzstoffen (beispielsweise Farbpigmenten) eine Faserschädigung auftreten. Diese Interaktionen zeigen sich deutlich in der Abnahme der im Bauteil vorhandenen mittleren Faserlänge. Eine Überprüfung der Faserfestigkeit war bisher, auf Grund fehlender geeigneter Prüfmethoden bei den geringen Schlankheitsgraden bereits verarbeiteter Fasern, nicht oder nur eingeschränkt möglich. Mit einem am Lehrstuhl RPE entwickelten Mikrofaserbiegeversuch gelingt es, die Einzelfaserfestigkeit experimentell zu bestimmen. Dies bietet somit die Möglichkeit, das Schädigungsverhalten der meist spröden und kerbempfindlichen Fasermaterialien über die Verarbeitung hinweg zu untersuchen und zu quantifizieren. Da die (Rest-)Faserfestigkeit in diskontinuierlich verstärkten Bauteilen nun bestimmt werden kann, ist eine Lücke bei Berechnungen geschlossen, und das Wissen über Wirkzusammenhänge der Faserschädigung wird erweitert. Aufbau der Arbeit: In den Vorbetrachtungen zu dieser Arbeit werden zunächst kurz die Grundzusammenhänge zur Steifigkeits- und Festigkeitssteigerung der diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffe angesprochen und anschließend bestehende Modellvorstellungen zur Faserverstärkung bei Kunststoffen vorgestellt. Nachdem der Wissensstand zu bestehenden Messtechniken der mechanischen Fasercharakterisierung aufgezeigt ist, wird die entwickelte Messmethode des Dreipunktbiegeversuchs zur Faserfestigkeitsbestimmung ausführlich vorgestellt und deren Möglichkeiten und Einschränkungen diskutiert. Es folgt die Erläuterung der Notwendigkeit und der Vorgehensweise der statistischen Absicherung von Kennwerten spröder Verstärkungsfasern sowie die Vorgehensweise der Kennwertumrechnung auf reale Belastungen. Den Hauptteil bilden die einzelnen Untersuchungen mit jeweils anschließender Diskussion und Zusammenfassung. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit in einer ausführlichen Zusammenfassung erläutert. Durchgeführte Untersuchungen: Ein Schwerpunkt der Arbeit bildet die Überprüfung des Einflusses von Farbpigmenten, welche zur Einfärbung technischer Kunststoffe verwendet werden, auf die Eigenschaften diskontinuierlich kurz- und langfaserverstärkter Thermoplaste und BMC. Die Literatur beschreibt diesen Sachverhalt der teilweise drastischen Festigkeits- und Zähigkeitsminderung bei Einfärbung von FKV nur phänomenologisch oder führt die Effekte alleinig auf Wechselwirkungen Pigment/Matrix zurück, wobei dies zu einem unvollständigen und zumindest teilweise auch falschen Bild der Wirkzusammenhänge führt. Der Schädigungsverlauf der Fasern bei Einfärbung mit Pigmenten, deren Härte über der des Faserwerkstoffs liegt, wird quantitativ über die Verarbeitungsschritte hinweg bis zum Prüfkörper dargestellt. Durch die Kenntnis der Faserschwächung in Verbindung mit dem verarbeitungsbedingt nun verstärkten Faserbruch kann der Verlust an Verbundeigenschaften erklärt werden. Über die Vielzahl der Untersuchungen gelingt es, die Wirkzusammenhänge empirisch zu beschreiben und Erklärungsansätze zu geben. Dabei wurden die Messreihen systematisch aufeinander aufbauend durchgeführt und Zusammenhänge herausgearbeitet. Zwar sind die Untersuchungen oft grundsätzlichen Charakters und dienen eher der Evaluierung einer Vorstellung zum Schädigungsverlauf, dennoch wurde auf die Anwendungsbezogenheit Wert gelegt. Die Kenntnis der grundlegenden Wirkzusammenhänge bietet die Möglichkeit, Regeln und Maßnahmen zur Vermeidung übermäßiger Faserschädigung bei der Kunststoffeinfärbung abzuleiten. Ergebnisse werden beispielhaft an Rechnungen, die sich an bestehenden Modellen zu Festigkeit und Energieaufnahme der diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffe orientieren, überprüft und diskutiert. Grundlage ist hierbei die Bruchfestigkeit der Faser bei Zugbelastung. Da die an Einzelfasern durchgeführten Biegeversuche „nur“ Biegebruchspannungen ergeben, wird ein Verfahren beschrieben, mit dem es gelingt, von gegebenen Biegefestigkeiten in entsprechende Zugfestigkeiten umzurechnen. Der Zusammenhang wird über die effektiv belastete Faseroberfläche im Mikrobiegeversuch gegenüber der entsprechenden Fläche bei Zugbelastung geliefert. Basis der statistischen Kennwertberechnung ist hierbei die Weibullverteilung. Sie liefert eine exponentielle Verteilungsfunktion der Festigkeiten spröder Werkstoffe und ist auch für die Betrachtung der überwiegend behandelten Glasfilamente gut geeignet. Nach dem Prinzip „des schwächsten Gliedes“ geht demnach das Versagen des beobachteten Volumens vom größten Defekt innerhalb desselben aus. Voraussetzung der Anwendbarkeit ist hierbei, dass der Bruch des Materials von statistisch homogen verteilten Defekten einer Art ausgeht und nur Zugversagen auftritt (die homogene Defektverteilung bietet die Grundlage der Übertragung auf das Bauteil und damit das größere Volumen). Weitere Untersuchungen liefern Beiträge zum Recycling faserverstärkter Kunststoffe. So wird der hydrolytische Faserfestigkeitsabbau bei Kühlerwasserkästen aus PA6-GF35 betrachtet und eine Untersuchung der Faserfestigkeit nach dem SMC-Recycling (Partikelrecyclingverfahren) vorgestellt.
• Fibre damage may occur by discontinuous fibre reinforced plastics during the compounding process as well as during their processing leading up until the finished fabricated part through interaction either between fibres, between fibres and the machine’s components or also through additives (e.g. colour pigments). These interactions manifest themselves in the reduction of the average fibre length, which is present in the finished unit. Fibre strength testing has been so far either not possible or is limited due to suitable testing methods with low slenderness ratios of already processed fibres being unavailable. Experimental determination of single fibre strength is now possible with the help of a micro-bending machine developed at the Chair of RPE. This therefore offers the possibility to investigate and quantify the damage behaviour of the mostly brittle fibre material beyond the processing stage. Since the remaining fibre strength can now be determined in discontinuously reinforced parts, a gap in the calculations has been bridged and a broader knowledge about combined effects during the fibre damage has been obtained. Structure of the work: The basic relationships for the increase in stiffness and strength of the discontinuous fibre reinforced plastics are addressed in the phase leading up to this work and the existing model ideas for the fibre reinforcement for plastics are subsequently presented. After the knowledge standard for the existing measuring techniques of the mechanical fibre characterization is highlighted, the developed measuring method of the three-point-bending-test is elaborately presented for determining the fibre strength and its possibilities and restrictions are discussed. The explanation of the necessity and approach method of the statistical security of characteristic values of brittle intensification fibres as well as the approach method of the conversion of characteristic values into real loads follows thereafter. The main part describes the individual tests with a subsequent discussion and summary in each case. The results of the work are explained in a detailed summary as a conclusion. Conducted tests: A focal point of the work is the testing of the influence of colour pigments on the characteristics of discontinuous short and long fibre-strengthened thermoplastics and BMC which are used for the colouration of technical synthetics. These facts of the partially drastic strength and toughness decrease of FKV during dyeing are either only phenomenologically described in literature or exclusively attributed to reciprocal effects pigment/matrix which results in an incomplete or even a partially wrong picture of the correlations. The damage progression of the fibres during dyeing, whose pigments are harder than the fibre material, is quantitatively shown from the processing steps up to the specimen. The loss of compound qualities can be explained by the fibre weakening in connection with the fibre breakage now enforced during processing. The multiplicity of tests helps to empirically describe the correlations and to give first explanations. The test series were conducted systematically and correlations were stated to give best results. The tests are often fundamental characters and primarily serve as the evaluation of the damage progression, the importance of the practical use was nevertheless considered. The knowledge of these fundamental facts offers the possibility to deduce rules and actions to avoid the excessive fibre damage during the dyeing process. Results are exemplarily checked by means of calculations which are oriented to existing models of strength and energy induction of the discontinuously fibre-reinforced synthetic materials. The basis for this is the fibre breaking strength under a tension load. Because the bending tests executed on single fibres show only breaking tensions, a procedure is described which helps to convert given flexible strength into corresponding tensile strengths. The correlation between the effective loaded fibre surface in the micro-bending test and the corresponding area by tensile loading will be shown. The basis of the statistical characteristic value calculation is the “Weibull distribution”. It supplies an exponential distribution function for the strength of brittle materials and is also suitable for the consideration of the predominantly treated glass-filaments. According to the principle "of the weakest link", the failure of the observed volume is provoked by the biggest defect within the observed volume. Prerequisite for the applicability is that the material breakage is only effected by statistically homogeneous distributed defects of one type and only tension failure occurs (the homogeneous defect distribution offers the basis for the transfer to the component and thereby the larger volume). Further tests contribute to the recycling of fibre-reinforced synthetic materials. For example, the hydrolytic fibre strength decrease is considered with cooling water cases made by PA6-GF35 and a testing of the fibre strength is presented according to the SMC recycling (particle recycling procedure).