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Thema: Composites 101

  1. #1
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    Standard Composites 101

    Ich werde hier in loser Folge über das Thema Faserverbundwerkstoffe referieren. Beginnen möchte ich mit einigen Grundlagen, die wichtig für das Verständnis der Zusammenhänge sind. Um auch interessierten Laien den Zugang zu ermöglichen, soll das Ganze locker flockig daherkommen. Ich werde mich sehr bemühen, so wenig Fremdwörter wie möglich zu benutzen. Wo nicht anders machbar, gibt´s dann den Verweis per Link zum Nachschlagen.
    Geändert von Uwe Gartmann (20.10.2014 um 13:48 Uhr)
    Viele Grüße,
    Stefan
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  2. #2
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    Standard Folge 1: Der Unterschied zwischen Steifigkeit & Festigkeit

    Steifigkeit und Festigkeit werden häufig miteinander verwechselt bzw. gleichgestellt. Für Konstruktionen im Maschinenbau ist es allerdings wichtig, die genaue Unterscheidung beider Begrifflichkeiten zu kennen. Aber, was ist denn der Unterschied zwischen Steifigkeit und Festigkeit?

    FESTIGKEIT

    Die Festigkeit ist ein Maß dafür, wie hoch die ertragbare Beanspruchung eines Werkstoffs ist und stellt somit einen Wert dar, den man einfach aus dem Datenblatt des entsprechenden Materials herauslesen kann (z.B. die Zugfestigkeit).


    STEIFIGKEIT

    Dagegen ist die Steifigkeit sowohl von der Elastizität des Werkstoffs als auch von der Geometrie der Konstruktion abhängig – wie zum Beispiel von der Form und der Größe der Querschnittsfläche eines Profils. Das bedeutet folglich, dass die Steifigkeit keine Abhängigkeit von der Festigkeit hat.

    Quelle: Maschinenbau-Wissen.de
    Geändert von Uwe Gartmann (20.10.2014 um 21:16 Uhr)
    Viele Grüße,
    Stefan
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  3. #3
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    Standard Folge 2: Faser- vs. matrixdominierte Eigenschaften

    Jetzt geht es gleich mal mit etwas härterer Kost weiter. Anbei die Prüfungsergebnisse einer mechanischen Kennwertermittlung von strangezogenen CFK-Profilen gleichen Querschnitts (8 x 8 mm) einmal mit Epoxydharz- (DPP™) und einmal mit Vinylesterharzmatrix (VEC™). Zu beachten ist hierbei auch, dass das epoxydbasierte Profil einen höheren Faservolumenanteil aufweist, somit mehr Fasern beinhaltet. Dies ist auch sehr gut am Metergewicht zu erkennen, da die Dichte der Fasern (≈1,8 g/cm³) deutlich über der Dichte der Matrices (≈1,1 g/cm³) liegt.

    Auf Druck ist das Profil mit höherem Harzanteil stärker belastbar, weil dadurch die Fasern besser vor dem Ausknicken geschützt sind. Alle weiteren Kennwerte sind beim Profil mit höherem Faservolumenanteil erkennbar höher. Das soll verdeutlichen, dass nicht nur ein hoher Faservolumenanteil das Maß aller Dinge ist, sondern, je nach Anwendungsfall, auch durchaus ein größerer Harzanteil im Laminat seine Berechtigung hat.

    Wir erinnern uns: Die Matrix hat primär die Aufgabe, die Fasern zu stützen und die auf das Bauteil einwirkenden Kräfte gleichmäßig auf diese zu verteilen.

    Name:  4.jpg
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    Quelle: R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH
    Geändert von Uwe Gartmann (20.10.2014 um 21:14 Uhr)
    Viele Grüße,
    Stefan
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  4. #4
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    Standard Folge 3: Richtungsabhängigkeit / Anisotropie

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    Quelle: R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH
    Geändert von Uwe Gartmann (20.10.2014 um 21:11 Uhr)
    Viele Grüße,
    Stefan
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  5. #5
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    Standard Anisotropie vs. Quasiisotropie

    Quasi als Nachtrag meines letzten Posts, der -zugegebenermaßen- etwas hingerotzt wurde, hier ein Beispiel mit einem einmal anisotropen (links) und einem quasiisotropem Laminataufbau (rechts) und den daraus resultierenden Eigenschaften bei Durchbiegung (Plate Bending) und Zugbelastung (Plate Pulling). Das quasiisotrope Laminat zeigt in beiden Lastfällen die geringere Auslenkung.

    Name:  5.1.jpg
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    Quelle: Allred &*Associates Inc.


    Ab hier geht es jetzt etwas mehr in die Tiefe. Ein quasiisotropes Laminat findet überwiegend bei der Substitution von metallischen Werkstoffen oder bei stark richtungsabhängigen Lasten Anwendung.

    Bei der Werkstoffsubstitution von Metallen wird der Vorteil genutzt, dass sich das quasiisotrope Laminat als Scheibe wie ein metallischer Werkstoff verhält. Die Scheibensteifigkeit wird über die Laminatdicke angepasst. Der Aufwand der Umkonstruktion ist daher gering.

    Bei stark richtungsabhängigen Lasten sind spezialisierte Laminate ungeeignet. Sie zeigen meist nur in ihren Vorzugsrichtungen gute Eigenschaften (z. B. ausgeglichener Winkelverbund und unidirektionale Schicht).

    Laminate, die aus Wirrfasermatten oder Vliesen hergestellt werden, verhalten sich ebenfalls quasiisotrop. Die einzelnen Kurz- oder Langfaserbündel sind orthotrop. Durch die statistische Verteilung der Faserwinkel heben sich die Orthotropieffekte auf. Quasiisotrope Laminate aus Wirrfasern haben schlechtere Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften als quasiisotrope Aufbauten aus Geweben.

    Schichtweiser Aufbau:

    Quasiisotrope Laminate können aus unendlich vielen Werkstoffkombinationen und Faserwinkeln erstellt werden. Die Klassische Laminattheorie) zeigt, ob eine gewählte Kombination quasiisotrop ist. Es gibt eine Reihe von gebräuchlichen, quasiisotropen Laminaten, die aus Faser-Kunststoff-Verbunden hergestellt werden. Die quasiisotropen Laminate unterscheiden sich in der Anzahl der Schichten (unidirektionale Schichten), aus denen sie aufgebaut sind. Ein quasiisotropes Laminat mit weniger als drei Schichten ist nicht möglich.



    3 Faserrichtungen:
    Die Fasern des Verbundes schneiden sich unter dem Winkel Name:  1.png
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Größe:  587 Bytes. Jede unidirektionale Schicht muss die gleiche Schichtdicke besitzen. Der Verbund ist somit ein AWV60 mit einer zusätzlichen, unidirektionalen Schicht.


    4 Faserrichtungen:
    Die Fasern des Verbundes schneiden sich unter dem Winkel Name:  2.png
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Größe:  709 Bytes. Jede unidirektionale Schicht muss die gleiche Schichtdicke besitzen. Der Verbund besteht somit aus zwei AWV45 , die um 45° zueinander gedreht wurden. Dieser quasiisotrope Aufbau lässt sich besonders einfach mit zwei Gewebelagen oder Kreuzverbunden herstellen. Dazu wird eine Gewebelage um 45° gedreht.


    5 Faserrichtungen:
    Die Fasern des Verbundes schneiden sich unter dem Winkel Name:  3.png
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Größe:  633 Bytes. Jede unidirektionale Schicht muss die gleiche Schichtdicke besitzen.


    Eigenschaften:

    Das quasiisotrope Laminat ist als Scheibe isotrop und damit auch orthotrop. Es kann jedoch eine Scheiben-Platten-Kopplung besitzen (siehe: Klassische Laminattheorie). Da die Scheiben-Platten-Kopplung im Allgemeinen unerwünscht ist, finden praktisch nur symmetrisch geschichtete, quasiisotrope Laminate Anwendung. Nach seinen elastischen Eigenschaften verhält sich das quasiisotrope Laminat wie ein metallischer Werkstoff.

    Quelle: Chemie.de
    Viele Grüße,
    Stefan
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  6. #6
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    Standard Kalthärtung vs. Warmhärtung von EP-Systemen

    Da hier schon seit einer Weile nichts mehr passiert ist und mich Erwin so nett gefragt hat, möchte ich hier einen kurzen Abriss zum Thema Tempern und die daraus resultierenden Veränderungen in den mechanischen Eigenschaften machen.

    Wichtig ist hier zunächst einmal das Verständnis, dass alle reaktiven Harzsysteme einem mehr oder weniger langen Reaktionsprozess unterliegen, bevor deren mechanische und chemische Eigenschaften vollständig ausgebildet sind. Man liest häufig die Angabe von 24 h. Das bedeutet in der Regel, dass nach dieser Zeit das Bauteil entformt und bearbeitet werden kann. Die bestmöglichen Eigenschaften werden aber häufig erst deutlich später erreicht. Man spricht hier vom Vernetzungsgrad oder dem Reaktionsumsatz. Je höher dieser ist, desto besser. Über den Anstieg der Glasübergangstemperatur (Tg) über Zeit kann man schön den sich erhöhenden Reaktionsumsatz erkennen. Bei größerer Dauer ist die resultierende Tg auch entsprechend größer.

    Name:  Bildschirmfoto 2015-01-16 um 19.30.39.jpg
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    Bei den nachfolgenden Zug- und Biegeversuchen sieht man sehr schön, dass bei einer Warmhärtung bei 50 °C die relevanten Eigenschaften deutlich ansteigen. Bei 80 °C steigt die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung weiter an, während der Zug-E-Modul etwas abnimmt (das ist übrigens selbst bei Prepregs so). Es verbessern sich auch (nicht dargestellt) die Schlagzähigkeit und die Interlaminare Scherfestigkeit.

    Tensile strength = Zugfestigkeit

    Elongation at tensile strength = Bruchdehnung (bis zum Überschreiten der Zugfestigkeit)

    Tensile modulus = Zug-E-Modul


    Name:  Bildschirmfoto 2015-01-16 um 19.30.59.jpg
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    Quelle: Huntsman


    Fast alle strukturellen EP-Laminierharze mit Topfzeiten > 60 Minuten entwickeln bei RT-Härtung eine ausgeprägte Sprödigkeit. Um diese zu beseitigen, reicht es in der Regel aus, das Bauteil über 40 °C (10 -12 h) zu bringen. Wie bereits oben dargelegt, profitieren die mechanischen Eigenschaften signifikant von dieser Wärmenachbehandlung. Aber nicht nur diese, auch die chemische und die thermische Beständigkeit steigt mit höherem Vernetzungsgrad an. Gerade letztere kann durch eine entsprechende Temperaturhöhe gesteuert werden. Bei einer Warmhärtung stellt sich ein Tg-Vorlauf von ungefähr 20 bis maximal 40 °C ein, das ist oben in der Tabelle auch schön ersichtlich. In der letzten Spalte sieht man zudem, dass wenn zu lange mit der Warmhärtung gewartet wird, die finale Tg etwas geringer ausfällt, trotz höherer Härtungstemperatur. Sinnvoll ist hier eine Anhärtung bei 23 °C über 24-72 h mit anschließender Nachbehandlung mit höheren Temperaturen. Bei freistehender (bereits entformter) Warmhärtung sollte zudem mit einer definierten Aufheizrate die Temperatur erhöht werden. 5 bis maximal 10 K/h sind hier empfehlenswert.
    Geändert von Gideon (16.01.2015 um 20:22 Uhr) Grund: Die Hälfte vergessen
    Viele Grüße,
    Stefan
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  7. #7
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    Standard Strukturelles Kleben von Faserverbundwerkstoffen

    Ich möchte hier gerne mit den Besonderheiten von strukturellen Klebeverbindungen anschließen. Hier zunächst ein Video zur Verdeutlichung der Unterschiede der Klebeeigenschaften von ungesättigten Polyester- und Epoxydharzen.



    Edit 13.1.17: Da die Vimeo-Enbindung auf IOS-Geräten derzeit nicht sicher funktioniert, hier der Link zum Video:
    https://vimeo.com/42809730
    Geändert von Thomas Ebert (13.01.2017 um 14:57 Uhr)
    Viele Grüße,
    Stefan
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  8. #8
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    Standard Die 3 am meisten verwendeten Klebstoffe für strukturelle Verklebungen

    Da ich hier schon seit Ewigkeiten nichts mehr geschrieben habe, möchte ich das Thema Klebstoffe wieder etwas beleben.

    Für strukturelle Verklebungen werden hauptsächlich 3 Typen unterschieden. Ich möchte deren Vor- und Nachteile stichwortartig beschreiben.



    1. Epoxydharze

    - variable Reaktivität (von sehr schnell bis sehr langsam)
    - variable Rheologie (von flüssig bis thixotrop)
    - Scherfestigkeiten von bis zu 40 MPa und sehr hohe Schälfestigkeiten
    - geringe Elastizität (teilweise zähmodifiziert)
    - gute chemische Beständigkeit (insbesondere sehr gute Feuchtigkeitsbeständigkeit)
    - lösungsmittelfrei
    - Servicetemperatur von -50 °C bis 120 °C (teilweise auch kurzzeitig bis 200 °C nach entsprechende Wärmenachbehandlung)
    - lange Haltbarkeit (quasi unbegrenzt)

    Wenn es um höchste Klebefestigkeiten, gute Alterungsbeständigkeit und die Aufnahme von dynamischen Lasten geht, sind Klebstoffe aus Epoxydharz die erste Wahl. Allerdings sollten speziell formulierte Klebstoffe nicht mit Laminierharzen über einen Kamm geschoren werden. Die damit erzielbaren Klebeeigenschaften liegen deutlich über denen ihrer niederviskosen Geschwister.



    2. Methylmethacrylate (auch nur als Acrylate oder MMA abgekürzt)

    - unempfindlich gegenüber schlecht vorbereiteten Oberflächen
    - sehr schnelle Durchhärtung
    - Scherfestigkeiten von bis zu 25 MPa und hohe Schälfestigkeiten
    - hohe Elastizität (teilweise zähmodifiziert)
    - gute chemische Beständigkeit
    - lösungsmittelhaltig
    - Servicetemperatur von -55 °C bis 80 °C (teilweise auch kurzzeitig bis 200 °C nach entsprechende Wärmenachbehandlung)
    - geringe Haltbarkeit (in der Regel 6 Monate, gekühlt länger)

    Thermoplastische Kunststoffe wie ABS, PMMA, PVC, Polycarbonat, ja selbst Polyolefine wie PP und PE lassen sich mit Methylmethacrylaten sehr gut verkleben. Auch für Metalle und Composite sind diese oftmals die erste Wahl, da sie sehr zäh sind und eine hohe Anfangsfestigkeit entwickeln. Die hohe Toleranz gegenüber einer schlechten Oberflächenvorbeitung ist ebenfalls ein nicht zu unterschätzender Vorteil. Wenn es sehr schnell gehen muss und die zu verklebenden Oberflächen lösungmittelbeständig sind, dann können Methylmethacrylate verwendet werden. Die dabei zu errzielenden Klebefestigkeiten liegen deutlich über denen von 5 Minuten-Epoxy (bei gleicher Reaktionsdauer wohlgemerkt!).




    3. Polyurethane

    - sehr schnelle Durchhärtung
    - Scherfestigkeiten von bis zu 20 MPa und sehr hohe Schälfestigkeiten
    - sehr hohe Elastizität
    - teilweise hochtransparent und UV-beständig
    - lösungsmittelfrei
    - Servicetemperatur bis von -55 °C bis 80 °C
    - geringe Haltbarkeit (in der Regel 6 Monate)

    Ebenfalls sehr gut für thermoplastische Kunststoffe wie ABS, PMMA, PVC und Polycarbonat geeignet. Auch für Metalle und Composite lassen sich diese einsetzen. Insbesondere für große Klebespalte und Fügepartner, die sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungen (z.B. Metalle und Composite) haben, geeignet.
    Viele Grüße,
    Stefan
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  9. #9
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    Standard Formenbau - Unterschiede der einzelnen Methodiken

    Anleitungen zum Bau von Formen gibt es ja diverse, meist wird dort aber nur auf eine bestimmte Art der Fertigung eingegangen. Ich möchte einmal die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Methodiken beleuchten.

    Der Ausgangspunkt ist immer die Art und Weise der Bauteilherstellung.


    Wird z.B. klassisch ein Rumpf als reines Handlaminat mit überlappenden Rändern nass in nass erstellt, dann reicht eine recht weiche Form mit einer Laminatdicke < 5 mm, die nur die Trennebene als Rand vorsieht, für Rumpflängen bis zu 1500 mm locker aus.

    Vorteile: Sehr einfache und kostengünstige Fertigung, leichtes Entformen durch die Möglichkeit, die Formhälften zu tordieren.

    Nachteile: Für reine Handlaminate sehr gut geeignet. Zusätzliches Vakuumpressen ist möglich, sollte aber sehr vorsichtig durchgeführt werden, um keine verzogenen Bauteile zu produzieren.



    Geometrisch ausgesteift werden kann mit einem zusätzlichen, um 90° aufgekanteten Rand. Das hat zudem den Vorteil, dass die Formen standsicher abgelegt werden können. Eine zusätzliche Hinterfüllung mit Poraver (bei kleineren Formen wie z.B. für Luftschrauben kann auch mit Sand hinterfüllt werden) sorgt für eine komplett geschlossene, quaderförmige Geometrie.

    Vorteile: Für steife Formen, die absolut verzugsfrei sein müssen. Für das Vakuumpressen (ohne und mit zusätzlicher Aufsatzleiste zur Blindverklebung) sehr gut geeignet. Mit zusätzlicher Hinterfüllung und Deckelung zum Schlauchblasen geeignet. Leicht sauber zu halten und zu reinigen

    Nachteile: Wenn nur ein geringster Verzug besteht, dann schließt die Form in der Regel nicht mehr vollständig. Großvolumige Formen können je nach Dicke einigermaßen schwer werden.



    Es können allerdings auch beide Verfahren kombiniert angewandt werden - also weich & steif-, um jeweils deren Vorteile auszunutzen.
    Viele Grüße,
    Stefan
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  10. #10
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    Standard Formenbau - Optimaler Laminataufbau

    Ich habe es bereits an diversen Stellen geschrieben, dass ich ein Verfechter eines quasiisotropen und symmetrischen Laminataufbaus bei der Herstellung von Formen bin.

    Jede Gewebelage wird sowohl in 0°/90° und auch in ± 45° abgelegt. Symmetrie wird dadurch erzeugt, dass je nach gewünschter Laminatdicke bis zu einer bestimmten Lagenanzahl (immer gerade) gearbeitet wird, um dann spiegelverkehrt wieder zurückzubauen. Zudem sollte nach dem Auftrag des Formenharzes mit sehr fadenstarken Glasgewebe gearbeitet werden. Sinnvoll ist hier das Glasgewebe 105 g/m² von Interglas (Style 91111 / Kreuzköper) zu verwenden. Aber auch mit dem Glasgewebe 163 g/m² von Interglas (Style 92110 / Köper) lassen sich bereits sehr gute Oberflächengüten erzielen.

    Ein mögliches Abzeichnen ist ein Zusammenspiel aus vielen Faktoren. Meist reicht es aus, die Formen lange genug auf dem Urmodell härten zu lassen, bevor letzteres entfernt wird, um einen möglichst hohen Vernetzungsgrad bzw. Reaktionsumsatz des verwendeten Formen- und Laminierharzes zu erreichen. Ich würde hier mindestens 3 bis 4 Tage bei mindestens 23 °C empfehlen.

    Eine moderate Temperaturanhebung bis 40 °C reicht in der Regel schon aus, um langsame Systeme mit Topfzeiten > 60 Minuten entsprechend anzukicken, so dass diese durch die Sprödphase (weiter oben beschrieben) kommen. Das gilt explizit auch für Formenharze. Systeme mit kürzeren Topfzeiten haben hier eindeutig den Vorteil einer schnelleren Durchhärtung. In der Regel sind die Laminatdicken noch so gering, dass eine mögliche Exothermie (Reaktionswärme) hier keine oder nur eine untergeordnete Rolle spielt. Eine reine Raumtemperaturhärtung ist dann meistens mit keinen weiteren Problemen verbunden, auch wenn derartige Systeme ebenfalls von einer anschließenden Warmhärtung merklich profitieren.
    Viele Grüße,
    Stefan
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  11. #11
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    Standard Abzeichnen von Gewebestruktur – Warum ist das so und was kann ich dagegen machen?

    "Ich habe einen signifikanten Unterschied bemerkt...wenigstens mit den Epoxydharzsystemen die ich benutze. Fast alle Teile die ich herstelle sind fertig eingefärbt. Ich habe haufenweise Versuche gemacht, um das Problem der Gewebeabzeichnung zu erkennen und zu beseitigen. Wenn man sich die Schwindungskurve anschaut, stellt man fest, dass der größte Teil der Schwindung erst gegen Ende der Aushärtung passiert. Sehr wenig Schwingung passiert während der ersten 70 % der Aushärtung. Danach steigt die Schwindung dramatisch mit jeder Phase des Härtungsfortschritts an. Die Vernetzung des Harzes verbessert sich, weil die höhere Temperatur eine höhere Beweglichkeit der Moleküle ermöglicht. Wenn das Bauteil sich noch in der Form befindet, bildet sich das Molekülgitter um die Moleküle, die an der Formoberfläche "kleben". Bei genügend langer Härtungsdauer sind keine Molekülverbindungen mehr möglich und die Oberfläche wird fest (solange die Tg nicht überschritten ist). Wenn das Bauteil nicht in der Form ist, können die oberflächennahen Moleküle sich neu anordnen und die Gewebestruktur wird sichtbar."

    Übersetzung des Posts von Adam Pequette aka Wyowindworks: http://www.compositescentral.com/sho...37&postcount=8

    Konkret heißt das, solange zu härten, bis der Vernetzungsgrad entsprechend hoch ausgebildet ist, und erst dann zu entformen. Das wird mit einer Warmhärtung erreicht, die einer 24-stündigen Anhärtung bei Raumtemperatur folgt. Um über die Sprödphase so mancher Harzsysteme überhaupt erst hinauszukommen, ist eine Warmhärtung bei mindestens 40 °C sogar obligatorisch. Gerne kann hier auch noch gefahrlos bis 50 °C gehärtet werden, um gleichzeitig eine möglichst hohe Glasübergangstemperatur zu erreichen. Die Temperaturen sollten dabei –von Raumtemperatur ausgehend– mit Aufheiz- und Abkühlraten von 5-10 K/h erhöht bzw. verringert werden. Hier lohnt es sich definitiv, etwas mehr Geld in eine sinnvolle Temperatursteuerung zu investierten.
    Viele Grüße,
    Stefan
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  12. #12
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    Standard Arbeitsschutz

    Schutzhandschuhe und die Permeationszeiten (Durchbruchszeiten) nach EN374-3:2003 in Minuten, am Beispiel des Nitrilhandschuhs Sol-Vex 37-675 mit 0,38 mm Dicke. Wohlgemerkt, das sind richtig dicke Dinger!

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    Aceton: 7 min

    Ethylamin: 85 min

    Methylmethacrylat: 19 min

    Styrol: 24 min

    Quelle: Ansell Healthcare Europe N.V.
    Viele Grüße,
    Stefan
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