Konstruieren mit Kunststoffen

von: Gunter Erhard

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2008

ISBN: 9783446417502 , 551 Seiten

4. Auflage

Format: PDF, OL

Kopierschutz: Wasserzeichen

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Preis: 109,99 EUR

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Konstruieren mit Kunststoffen


 

Vorwort zur vierten Auflage

6

Inhalt

8

Zur Geschichte der Polymerwerkstoffe

18

1 Marktüberblick

20

1.1 Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Branchen

23

1.1.1 Luft- und Raumfahrt

23

1.1.2 Feinwerktechnik

26

1.1.3 Fahrzeugbau

29

1.1.4 Allgemeiner Maschinenbau

34

1.1.5 Apparatebau

35

1.1.6 Bauwesen

38

1.2 Prognose

42

Literatur

50

2 Struktur und Eigenschaften

52

2.1 Chemische Struktur (Konstitution)

52

2.1.1 Polymerisationsgrad – relative Molekülmasse

55

2.1.2 Homopolymerisation – Copolymerisation

59

2.2 Zwischenmolekulare Bindungsenergien(Nebenvalenzbindungen)

60

2.2.1 Wasseraufnahme bei Polyamiden

62

2.3 Räumliche Anordnung von Atomen und Atomgruppenim Molekül (Konfiguration)

68

2.3.1 Taktizität

68

2.3.2 Verzweigung

69

2.3.3 Vernetzung

70

2.4 Aufbau von Polymersystemen

71

2.4.1 Homogene und heterogene Polymermischungen

71

2.4.2 Äußere Weichmachung

72

2.4.3 Füllung – Verstärkung

72

2.5 Morphologie (übermolekulare Strukturen)

75

2.5.1 Amorpher Gefügezustand

75

2.5.2 Kristalliner Gefügezustand

76

2.5.3 Anisotropie

81

2.5.3.1 Molekülorientierungen

81

2.5.3.2 Füllstofforientierungen

83

2.6 Thermisch-mechanische Zustandsbereiche

85

2.6.1 Thermoplaste mit amorpher Gefügestruktur

86

2.6.2 Thermoplaste mit teilkristalliner Gefügestruktur

87

2.6.3 Elastomere

87

2.6.4 Duroplaste

88

Literatur

89

3 Kurzcharakterisierung wichtigerPolymerwerkstoffe für konstruktiveAnwendungen

90

3.1 Thermoplaste

90

3.1.1 Polymerblends

103

3.1.2 Funktionspolymere

106

3.2 Elastomere

113

3.3 Duromere

116

3.4 Verstärkungsfasern

120

3.4.1 Glasfasern

121

3.4.1.1 Herstellung und Verstärkungsformen von Textilglas

121

3.4.1.2 Glasarten und Fasereigenschaften

122

3.4.2 Kohlenstoff-Fasern

122

3.4.3 Aramidfasern

123

3.4.4 Metallfasern, Whisker, keramische Fasern

123

Literatur

124

4 Eigenschaften – Werkstoffkennwerte –spezielle Prüfverfahren undVerhaltensweisen

126

4.1 Verformungsverhalten unter uniaxialer, zügigerZugbeanspruchung (Spannungs-Dehnungs-Versuch)

126

4.1.1 Molekulare Verformungs- und Schädigungsmechanismen

126

4.1.2 Charakteristische Spannungs-Dehnungs-Kurven

128

4.1.3 Ermittlung von Spannungs-Dehnungs-Diagrammen undWerkstoffkenndaten

129

4.1.4 Einfluss von Temperatur, Zeit und Feuchteauf Spannungs-Dehnungs-Kurven

133

4.1.5 Mathematische Beschreibung von Spannungs-Dehnungs-Kurven

137

4.2 Verformungsverhalten unter uniaxialer, langzeitiger,statischer Zugbeanspruchung (Zeitstand-Zug-Versuch)

137

4.2.1 Mathematische Beschreibung von Kriechkurven

139

4.3 Zähigkeit und Schlagzähigkeit

142

4.3.1 Zähigkeit aus dem Zugversuch

142

4.3.2 Zähigkeit aus dem Schlagbiegeversuch

142

4.3.3 Durchstoßversuch

145

4.4 Verhalten unter schwingender Beanspruchung

146

4.4.1 Ermittlung charakteristischer Ermüdungskennwerte

148

4.5 Querkontraktionszahl

151

4.6 Thermische Eigenschaften

154

4.6.1 Wärmedehnung

154

4.6.2 Formbeständigkeit

155

4.6.2.1 Elastizitätsmodul, Schubmodul als Funktion der Temperatur

155

4.6.2.2 Wärmeformbeständigkeitstemperatur

156

4.6.2.3 Erweichungstemperatur

156

4.6.3 Thermische Alterung

156

4.6.3.1 Sicherheitstechnische Aspekte

161

4.6.4 Zusammenfassende Bewertung des Temperatureinflusses

162

4.7 Reibungs- und Verschleißverhalten

163

4.7.1 Grundlagen

164

4.7.1.1 Adhäsion und Oberflächenenergie von Festkörpern

166

4.7.1.2 Deformationen und Hysteresisverluste

171

4.7.1.3 Rahmenbedingungen für adhäsiv und deformativ bedingtes Gleiten

172

4.7.2 Reibung und Verschleiß bei Polymerwerkstoff/Stahl-Paarungen

173

4.7.2.1 Einfluss der Oberflächenrauheit des Stahlpartners

175

4.7.2.2 Einfluss der relativen Molekülmasse

177

4.7.2.3 Einfluss des Feuchtegehalts im Polyamid

178

4.7.2.4 Einfluss energiereicher Bestrahlung

180

4.7.2.5 Einfluss der Bewegungsform und des Bewegungsablaufes

182

4.7.3 Reibung und Verschleiß bei Polymerwerkstoff/Polymerwerkstoff-Paarungen

183

4.7.3.1 Gleitreibung

183

4.7.3.2 Gleitverschleiß

186

4.7.4 Zusammenfassung der Einflüsse von Werkstoffeigenschaftenauf Systemeigenschaften

186

4.7.5 Einfluss von Füll- und Verstärkungsstoffen

186

4.7.5.1 Einfluss von Fasern auf den Verschleiß

186

4.7.5.2 Einfluss von anderen, anorganischen Zusätzen

189

4.7.5.3 Einfluss von polymeren Zusätzen

191

4.7.5.4 Einfluss von polymeren und härteerhöhenden Zusätzen

192

4.7.5.5 Einfluss von Zusätzen auf amorphe Thermoplaste

194

4.7.6 Stick-Slip (Ruckgleiten)

194

4.7.6.1 Beeinflussung des Stick-Slip-Verhaltens durch Parameterdes Gleitsystems

196

4.7.7 Strahlverschleiß

198

Literatur

201

5 Berechnen von mechanisch beanspruchtenStrukturen an Beispielen geometrischeinfacher Bauteile und statisch bestimmterLastfälle

204

5.1 Werkstoff- und verarbeitungsspezifische Probleme

204

5.1.1 Verformungsverhalten unter uniaxialer, zügigerZugbeanspruchung

204

5.2 Festigkeitsnachweis

206

5.2.1 Grundsätzliches Vorgehen bei einer Festigkeitsbetrachtung

206

5.2.1.1 Dimensionierungskennwerte

207

5.2.1.2 Sicherheitsbeiwerte

209

5.2.1.3 Abminderungsfaktoren

209

5.2.2 Einachsiger Spannungszustand

210

5.2.2.1 Beispiel des dünnwandigen Rohres unter Innendruck

211

5.2.3 Mehrachsiger Spannungszustand

212

5.2.3.1 Versagenskriterien

213

5.2.3.2 Beispiele zum Belastungsfall der Scherung

215

5.3 Berechnung von Dehnungen und Verformungen

218

5.3.1 Linear-elastisches Materialverhalten

218

5.3.2 Nichtlinear-elastisches Materialverhalten

219

5.4 Spannungs- und Verformungsanalysen vonbiegebeanspruchten Strukturen mit Hilfe einereinfachen FE-Betrachtung

224

5.5 Berechnung stoßartig beanspruchter Bauteile

226

5.6 Zur Berechnung von Faserverbund-Strukturen

227

5.6.1 Mechanische Eigenschaften von Laminaten

228

5.6.1.1 Verformungsverhalten unter uniaxaler Zugbeanspruchung,Schädigungsgrenze

228

5.6.1.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht

228

5.6.1.3 Gemittelte Kennwerte von Mattenlaminaten

230

5.6.2 Berechnungsverfahren

232

5.6.2.1 Berechnung mit gemittelten Kennwerten

232

5.6.2.2 Kontinuumstheorie

233

5.6.2.3 Netztheorie

233

5.7 Rechnergestützte Entwicklung

233

5.7.1 CAD – Computer Aided Design

233

5.7.2 Rapid Prototyping

236

5.7.3 Rapid Tooling

237

Literatur

238

6 Werkstoff- und beanspruchungsgerechteKonstruktion

240

6.1 Weiche Konstruktionen

240

6.1.1 Elastizitätsmodul

240

6.1.2 Flächenträgheitsmoment

241

6.1.3 Beanspruchungsart

242

6.2 Biegesteife Konstruktionen

244

6.3 Biegeweiche-torsionssteife Konstruktionen

246

6.4 Biegesteife-torsionsweiche Konstruktionen

247

6.5 Torsionsfeste, torsionssteife Konstruktionen

248

6.6 Biegesteife und torsionssteife Konstruktionen

250

6.7 Torsionsweiche Konstruktionen

251

6.8 Zugfeste-, zugsteife-torsionsweiche Konstruktionen

252

6.9 Schubfeste, schubsteife Konstruktionen

252

6.10 Drucknachgiebige und drucksteife Konstruktionen

253

6.11 Multifunktionale Konstruktionen

255

6.12 Wärmedehnungen und Wärmespannungen

257

6.13 Gelenkverbindungen

261

6.14 Kunststoff/Metall-Hybridkonstruktionen

264

Literatur

267

7 Fertigungsgerechte Konstruktion

268

7.1 Formfüllung

268

7.1.1 Simulation des Füllvorgangs

270

7.1.2 Ursachen zur Entstehung von Orientierungen

272

7.1.2.1 Auswirkungen von Orientierungen

276

7.1.2.2 Beeinflussung von Orientierungen

277

7.1.3 Ursachen zur Entstehung von Bindenähten und Lufteinschlüssen

281

7.1.3.1 Auswirkungen von Bindenähten und Lufteinschlüssen

282

7.1.3.2 Beeinflussung von Bindenähten und Lufteinschlüsse

284

7.2 Abkühlung und Erstarrung

290

7.2.1 Abkühlgeschwindigkeit

290

7.2.1.1 Auswirkungen der Abkühlgeschwindigkeit

290

7.2.1.2 Beeinflussung der Kühlgeschwindigkeit

291

7.2.2 Maßänderungen und Toleranzen

294

7.2.2.1 Schwindung

294

7.2.2.2 Nachschwindung

296

7.2.2.3 Toleranzen*

296

7.2.3 Verzug

301

7.2.3.1 Ursachen für Verzug

301

7.2.3.2 Beeinflussung von Verzug

303

7.3 Entformung

306

7.3.1 Entformungsschräge

309

7.3.2 Entformung von Hinterschneidungen

309

7.3.2.1 Zwangsentformung

309

7.3.2.2 Werkzeugtechnische Maßnahmen

310

7.3.2.3 Schmelzkerne

312

7.3.3 Vermeiden von Hinterschneidungen

314

7.3.3.1 Änderungen des Designs

314

7.3.3.2 Durchtauchende Kerne (Durchblocken)

314

7.3.3.3 Mehrteilige Ausführungen

316

7.4 Mehrkomponenten-Spritzgießen

318

7.4.1 Zweifarbenspritzguss

319

7.4.2 Hart-Weich-Kombinationen

323

7.4.3 Gasinjektionstechnik (GIT)*

328

7.4.4 Wasserinjektionstechnik (WIT)

334

7.4.5 Gasaußendrucktechnik (GAT)

334

Literatur

334

8 Biegeelemente

338

8.1 Schnappverbindungen

338

8.1.1 Schnapphaken

344

8.1.1.1 Formvarianten

344

8.1.1.2 Berechnung*

347

8.1.1.3 Zusatzfunktionen

348

8.1.2 Torsionsschnappverbindung

351

8.1.2.1 Formvarianten

351

8.1.2.2 Berechnung*

352

8.1.3 Ringschnappverbindung

353

8.1.3.1 Formvarianten

353

8.1.3.2 Berechnung*

354

8.1.3.3 Zusatzfunktionen

356

8.1.4 Segmentierte Ringschnappverbindung

358

8.1.4.1 Formvarianten

358

8.1.4.2 Berechnung*

358

8.1.4.3 Zusatzfunktionen

359

8.2 Federelemente

361

8.2.1 Federn aus thermoplastischen Polymerwerkstoffen

361

8.2.1.1 Biegefeder

361

8.2.1.2 Zugfedern

363

8.2.1.3 Druckfedern

363

8.2.1.4 Drehfedern

367

8.2.2 Federn aus Faser-Kunststoff-Verbunden (GFK, CFK)

368

8.2.2.1 Blattfedern

368

8.3 Filmscharniere und Filmgelenke

371

8.3.1 Herstellung

371

8.3.1.1 Spritzgießen

371

8.3.1.2 Blasformen

374

8.3.1.3 Prägen

374

8.3.2 Gestaltung

375

8.3.3 Werkstoffe

376

8.3.4 Berechnung

377

8.3.4.1 Berechnung der Filmlänge und Filmdicke

378

8.3.5 Anwendungsbeispiele

380

8.3.5.1 Deckel/Gehäuseverbindungen

380

8.3.5.2 Vereinfachte Herstellung

381

8.3.5.3 Montagehilfe oder unverlierbare Anbindung

386

8.3.5.4 Dynamisch beanspruchte Filmgelenke

386

8.3.5.5 Bistabile Gelenke

387

Literatur

389

9 Schraubverbindungen

392

9.1 Geformtes oder spanend gefertigtes Gewinde

393

9.1.1 Schrauben aus Polymerwerkstoff

393

9.1.2 Spritzgegossene, blasgeformte, spanend gefertigte Gewinde

395

9.1.3 Bewegungsgewinde

397

9.2 Gewindeeinsätze

398

9.2.1 Umspritzte Gewindebuchsen

398

9.2.2 Mit Ultraschall eingebettete Gewindebuchsen

398

9.2.3 Eingepresste Gewindebuchsen

399

9.2.4 Spreizeinsätze (Expansionseinsätze)

399

9.2.5 Eingeschraubte Einsätze

400

9.2.6 Einsätze aus Polymerwerkstoffen

400

9.2.7 Vergleichende Bewertung der verschiedenen Einsätze

400

9.2.8 Verhalten unter dynamischer Belastung

404

9.3 Gewindeformende Schrauben

404

9.3.1 Schraubenformen und -geometrien

404

9.3.1.1 Flankenwinkel

406

9.3.1.2 Selbsthemmung

406

9.3.2 Gestaltung des Einschraubauges (Tubus)*

406

9.3.2.1 Einschraubtiefe

407

9.3.2.2 Kernlochdurchmesser

407

9.3.2.3 Entlastungsbohrung

408

9.3.2.4 Außendurchmesser

408

9.3.3 Berechnung von Kenngrößen einer Schraubverbindung

410

9.3.3.1 Eindrehmoment

410

9.3.3.2 Überdrehmoment

412

9.3.3.3 Auszugkraft

412

9.3.3.4 Anziehmoment und Vorspannkraft

413

9.3.3.5 Montagebedingungen

415

Literatur

415

10 Rippenkonstruktionen

416

10.1 Vergleich mit anderen Versteifungsmaßnahmen

416

10.1.1 Erhöhung des Elastizitätsmoduls

416

10.1.2 Vergrößerung der Wanddicke

417

10.1.3 Sicken

418

10.2 Allgemeine Aspekte zur Rippenversteifung

419

10.2.1 Rippenhöhe

419

10.2.2 Rippenlage

420

10.2.3 Rippenanzahl (Werkstoffaufwand)

422

10.2.4 Einspannung

424

10.3 Gestaltungsregeln für spritzgegossene Verrippungen

425

10.3.1 Rippendicke

425

10.3.2 Kühlzeit

426

10.3.3 Anspritzrichtung

427

10.3.4 Rippenkreuzungspunkte (Knoten)

429

10.4 Gestaltungsregeln für Rippen nach den GID-Verfahren

430

10.5 Gestaltungsregeln für blasgeformte Rippen und Sicken

431

10.5.1 Blasgeformte Sicken

432

10.5.2 Blasgeformte Rippen

433

10.6 Gestaltungsregeln für gepresste Rippen

434

10.6.1 Handwerkliche Verarbeitung (Handlaminierverfahren)

435

10.6.2 Pressverfahren

435

Literatur

437

11 Zahnräder

438

11.1 Berechnung der Zahn- und Flankentemperaturvon Stirnrädern

440

11.1.1 Blok’sche Blitztemperaturhypothese

441

11.1.2 Temperaturrechnung nach TAKANASHI

441

11.1.3 Temperaturrechnung nach HACHMANN und STRICKLE

444

11.1.4 Vergleich der Temperaturberechnungsverfahren

445

11.1.5 Optimierte Temperaturrechnung

446

11.1.5.1 Temperaturmessungen an Kunststoff/Stahl-Paarungen nach [11.12]

446

11.1.5.2 Temperaturmessungen an Kunststoff/Kunststoff-Paarungen nach [11.36]

449

11.1.5.4 Optimierte Zahlenwertgleichung

450

11.2 Berechnung der Tragfähigkeit

452

11.2.1 Zahnschäden

452

11.2.2 Allgemeine Kenngrößen

453

11.2.3 Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit

454

11.2.4 Berechnung der Zahnflankentragfähigkeit

461

11.2.5 Berechnung der Zahnverformung

467

11.3 Gestaltung

470

11.3.1 Spritzgießen

470

11.3.2 Spanende Herstellung

473

11.3.3 Wellen-/Naben-Verbindung

474

11.3.3.1 Reibschlussverbindung

475

11.3.3.2 Formschlussverbindung

477

11.3.3.3 Vorgespannter Formschluss

479

Literatur

482

12 Gleitlager

484

12.1 Gleitlagerschäden

487

12.2 Berechnung der Belastbarkeit

488

12.2.1 Berechnung der mittleren Lagertemperatur

488

12.2.2 Berechnung der Gleitflächentemperatur

491

12.2.3 Statische Belastbarkeit

492

12.2.3.1 Beanspruchung des Lagerwerkstoffs

492

12.2.3.2 Deformation der Lagerschale

496

12.2.4 Dynamische Belastbarkeit

500

12.2.4.1 Dauerbetrieb

500

12.2.4.2 Aussetzbetrieb

501

12.2.4.3 Verschleiß

502

12.3 Gestaltung

504

12.3.1 Lagerspiel

504

12.3.2 Wanddicke

507

12.3.3 Herstellung

507

12.3.4 Gestaltungsbeispiele

507

Literatur

509

13 Laufrollen und Laufräder

510

13.1 Rollenschäden

511

13.2 Berechnung der Tragfähigkeit

513

13.2.1 Pressungskennwert als näherungsweise Bemessungsgrenze

513

13.2.2 Deformation unter statischer Last

517

13.2.3 Dynamisch beanspruchte Laufrollen

522

13.2.3.1 Frei laufende Rollen (ohne Antrieb)

523

13.2.3.2 Angetriebene Rollen

528

Literatur

531

14 Anleitungen zur Bedienungder Rechenprogramme

534

14.1 Anleitung zur Berechnung von Biegeelementenmit dem Programm BEAMS

534

14.1.1 Berechnung der Verformung unter kurzzeitiger Lasteinwirkung

534

14.1.2 Berechnung der Verformung unter langzeitiger Lasteinwirkung

536

14.1.3 Berechnung der Relaxation unter langzeitiger Lasteinwirkung

537

14.2 Anleitung zur Berechnung von Schnappverbindungenmit dem Programm SNAPS

537

14.3 Anleitung zur Berechnung von Schraubverbindungenmit dem Programm SCREWS

539

Anhang

542

Index

544