Suchen und Finden
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
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