Kohlefaser / Carbon / CFK für Mast und Bäume

[aufluschi]

Hallo Zusammen,

auf was muss ich bei der Verwendung von Kohlefaser / Carbon / CFK allgemein und beim Einsatz als Mast (Kohlefaserrohr 10/8 im Besonderen achten?

Was gibt es für Unterschiede? Gibt es grundsätzliche Unterschiede?

Hat jemand schon Erfahrung mit einem Carbon-Mast?

Und ja, ich habe schon gegoogelt, und ja, ich habe schon in der Forensuche gestöbert.

Danke und Gruß

Markus

[Motti]

Moin,

dass die Begriffe Kohlefaser/Carbon/CfK an und für sich das gleiche meinen, nämlich in eine Kunstharzmatrix eingebettete Kohlenstofffasern, weißt du sicher.

Zwischen den einzelnen Kohlefasertypen gibt es z.T. drastische Unterschiede in puncto Festigkeit und E-Modul. Generell sind höhermodulige Fasern weniger belastbar (= geringere zulässige Spannungen) und vor allem deutlich knickempfindlicher als Standardfasern (z.B. T-300). Das, was man üblicherweise an Kohlefaserhalbzeugen kaufen kann, besteht praktisch ausschließlich aus T-300-Fasern und hat Festigkeiten von bis zu 600MPa bei einem E-Modul von ca. 125GPa in Unidirektionallaminaten bei einem Fasergehalt von etwa 65%.

Kohlefasern verhalten sich vollelastisch, das heißt, sie besitzen keine Streckgrenze, ab der sie sich plastisch verformen. Aus diesem Grund kann man in der Praxis die Zugfestigkeit bei der Dimensionierung von Bauteilen auch fast zu 100% ausreizen.

Ansonsten sollte man sicher auf die starke Anisotropie von Faserverbundwerkstoffen (gilt für Laminate mit Kohle-, Glas-, Aramid-, Bor- und Basaltfasern gleichermaßen) hinweisen. Anisotropie bedeutet, dass der Werkstoff stark richtungsabhängige Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit und Steifigkeit aufweist im Gegensatz zu den meisten Metallen, die isotrop sind (deren Eigenschaften in allen Richtungen gleich sind). Analog zu einem Seil können Fasern nur Kräfte und Spannungen in Längsrichtung aufnehmen, was einerseits von Vorteil ist, weil man sehr gut belastungsgerecht damit konstruieren kann, andererseits aber aufgrund dessen sich bei der Laminatauslegung genau Gedanken über die zu erwartenden Belastungen machen muss. Bei den üblichen pultrudierten Kohlefaserrohren und -stäben z.B. aus dem Drachenbedarf muss man bedenken, dass bei diesen die Fasern ausschließlich in Längsrichtung angeordnet sind (unidirektional), so dass Torsionsbelastungen und Querkräfte nur eher schlecht aufgenommen werden und - das gilt vor allem natürlich für Rohre - das Bauteil sehr leicht splittert. Darum auch nur sehr vorsichtig bohren, wobei es eigentlich am besten ist, die Faserkontinuität überhaupt nicht zu unterbrechen und Beschläge z.B. an einem Mast anklebt und anlaminiert.

Gruß aus Kiel (naja, eigentlich im Moment Hamburg :wink:),

Ole aka Motti

[Didi]

Jo do legsdinida...................... :wink:

Nach der Experten-Antwort von Motti ( :that: )fällt es schwer noch was dazu zu sagen.

Ausser daß ich als Nicht-Experte nur sagen kann die CFK-Rohre aus dem Drachen-Modellsport (ich meine da die guten Lenkdrachen) die ich bei meinen Lenkdrachen einsetze haben so gute Stabilitäts-Eigenschaften daß ich mir sehr gut vorstellen kann diese auch als Masten bei Seglern zu verwenden. Diese haben eine sehr hohe Biegefestigkeit und die Zugfestigkeit interessiert in diesem Anwendungsfall eh keinen. Ich glaube bei Lenkdrachen werden die Rohre wesentlich stärker beansprucht als bei Seglern. Ich hatte schon einen Lenkdrachen in der Hand mit 8x6mm-Rohren der mich fast vom Boden gehoben hätte.

Und auch ich muss von einem Anbohren der Rohre abraten. Das erzeugt eine "Sollbruchstelle".

[Motti]

@Didi:

Biegefestigkeit resultiert aber üblicherweise (auch) aus Zugfestigkeit. Auf der anderen Seite herrscht Druckspannung, wobei das der limitierende Faktor bei Biegebeanspruchungen von pultrudierten Rohren ist. Bevor die Fasern auf der "Außenseite" an ihre Festigkeitsgrenze gelangen, knicken die Fasern "innen" schon aus. Das ist übrigens auch eine Besonderheit von FVWen, weil diese eben nur begrenzt in der Lage sind, Druckbeanspruchungen aufzunehmen. Bei biegebelasteten Sandwichkonstruktionen ist darüberhinaus sogar noch besonders zu beachten, dass es aufgrund des Spannungsgradienten zu einer Schubspannung zwischen Kern und Laminat kommt, die im Zweifelsfall zu einer Delamination führen, wodurch die Fasern dann ununterstützt sind und - da bei Sandwich ja üblicherweise recht dünne Laminate verwendet werden - sehr leicht durch Knicken versagen.

Der Spannungsverlauf hängt vom jeweils wirksamen Querschnitt ab, hier beispielsweise bei einer Schnittansicht durch einen rechteckigen Träger (vielen Dank an commodore für die Skizze!) Bei diesem (einfachen) Beispiel wirkt ein positives Biegemoment (im Gegenuhrzeigersinn) und verursacht oben Druck- und unten Zugspannung.



http://home.arcor.de/p.wrede/smnfiles/sigma_b.jpg



Bei Kreisrohren ist die Spannungsverteilung ein bisschen komplizierter, wenn es jemanden interessiert, mache ich mal eine Skizze und stelle sie ein.

Gruß aus Hamburg,

Ole aka Motti

[commodore]

Als kleine Ergänzung dazu: Aus diesem Grund ist die Zugfestigkeit der Faktor, nach dem ein solcher Biegeträger ausgelegt werden muss, da sich das Teil eben nicht so weit verformen darf, dass auf der gedrückten Seite ein Versagen auftritt.

Zum Bearbeiten des üblichen Kohlerohrs: Beim Bohren oder auch Fräsen empfehle ich, mit hohen Drehzahlen und kleinen Vorschubgeschwindigkeiten zu arbeiten und eine Schutzbrille zu tragen.

Ob das Rohr bzw. der Mast die Schwächung durch die Faserdiskontinuität übersteht oder nicht, hängt davon ab, ob der restliche Querschnitt die auftretende Last aufnehmen kann. Ich habe bei der MM haufenweise Löcher gebohrt und bisher ist noch nichts kaputtgegangen.

Wie man sich bei der Skizze zum Spannungsverlauf denken kann, ist ein Loch in der Mitte auch eher zu verschmerzen, da die Außenbereiche größere Anteile der Belastung aufnehmen.

Korrekt ausgedrückt: Eine Bohrung sollte parallel zur Biegeachse durch den Schwerpunkt der Fläche des wirksamen Querschnitts gehen, da dort die neutrale (unbelastete) Faser liegt.

[Didi]

Liebe (Modellbau-)Kollegen, eure Ausführungen sind fachlich sehr gut und informativ.

Aaaaaaaaaaaaaber..................................

Jetzt schraube ich meinen überlegenen Bayrischen Intellekt runter ( :wink: :wink: ) auf den eines Normaldeutschen und frage dann was ist das:

Faserdiskontinuität

parallel zur Biegeachse durch den Schwerpunkt der Fläche des wirksamen Querschnitts

pultrudierten Rohren

Schwächung durch die Faserdiskontinuität

FVWen

Festigkeiten von bis zu 600MPa bei einem E-Modul von ca. 125GPa in Unidirektionallaminaten bei einem Fasergehalt von etwa 65%.

usw...................

Ich will mit dieser Frage einfach nur sagen eure Antworten sind ja ganz super, aber so super daß ein normaler User sie nicht mehr versteht weil er mit den ganzen Fachausdrücken nichts anzufangen weis und so das Handtuch wirft weil er Angst hat als Dummbeutel dazustehen weil er diese fachausdrücke nicht versteht. Und so kommt keine Antwort mehr..................

Wie gesagt, die Antworten sind korrekt, aber zu schlecht verständlich. Versetzt euch doch in die Lage des Fragestellers der ja von der Materie keine Ahnung hat - sonst hätte er ja nicht gefragt. :mosern: :wink:

[commodore]

:roll: :oops:



Faserdiskontinuität meint ein Loch. Eine Bohrung unterbricht mehrere Fasern, die logischerweise dann nix mehr tragen können.



Biegeachse: Jeder (der nich gerade zur Generation der Computerkiddies gehört) kennt aus seiner Kindheit den Ast, den man nicht durchgebrochen bekommt und ihn daher übers Knie zu brechen versucht. Bevor der Ast bricht, biegt er sich um den Oberschenkel. Den Oberschenkel kann man hier als Biegeachse sehen. Eine Bohrung durch einen Mast sollte also in der Richtung des Oberschenkels gehen (quer zur Schiffslängsrichtung) und durch den Schwerpunkt der Querschnittfläche - beim kreisrunden Rohr die Mitte.



Pultrudiert kann hier ausreichend erklärt werden mit "alle Kohlefasern gehen in Längsrichtung". Darüberhinaus bezeichnet das auch noch das Herstellungsverfahren mit daraus resultierenden Eigenschaften. (Da weiß Motti mehr.)



Schwächung durch Faserdiskontinuität iss, wenn's eher kaputtgeht, weil einer 'n Loch 'reingebohrt hat. :wink:



FVW sind FaserVerbundWerkstoffe.



Festigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Werkstoffes, sich einer Verformung (bis zur Zerstörung) durch Kräfte zu widersetzen.

MPa ist die Kurzform von MegaPascal, was wiederum den gleichen Zahlenwert aufweist wie N/mm² - die Einheit von unter anderem Spannungen. Festigkeit wird angegeben in der maximal von einem Werkstoff ertragbaren Spannung.

Der E-Modul ist ein Werkstoffkennwert, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung herstellt.

Der Fasergehalt wird bei Faserverbundwerkstoffen angegeben, weil die Fasern die Lasten aufnehmen und somit die der Volumenanteil der Fasern am Gesamtteil die Festigkeit beeinflusst.



Usw steht für "und so weiter". :engel:



Noch weitere Fragen?





Wofür ist denn das Kohlefaserrohr 10/8 gedacht?

[Seebär Harry]

Ich will mit dieser Frage einfach nur sagen eure Antworten sind ja ganz super, aber so super daß ein normaler User sie nicht mehr versteht weil er mit den ganzen Fachausdrücken nichts anzufangen weis und so das Handtuch wirft weil er Angst hat als Dummbeutel dazustehen weil er diese fachausdrücke nicht versteht. Und so kommt keine Antwort mehr..................Jau, ich dachte schon ich währe in ´nem Forum von ´ner Unität.

Da ich ja auch Segler hier habe, ist das Thema schon Interessant,

wenn man es dann versteht. :wink:

[Motti]

Moin,



:roll: :oops: Dem schließe ich mich an - 'tschuldigung... :oops:



commodore hat ja eigentlich schon alles erklärt, darum nur noch kurz zum Begriff "pultrudieren":



So viel gibt es da eigentlich gar nicht zu wissen, außer dass beim Pultrudieren ("Ziehen") die Fasern in Endlossträngen zusammen mit der Matrix (bei Kohlefasern meistens das hochwertige Epoxy, sonst oft auch Polyester, Vinylester u.ä.) durch ein Werkzeug gezogen werden, das den Querschnitt des Bauteils besitzt und den Faserverbund damit formt (also z.B. ein kreisrundes Loch, um einen Rundstab herzustellen).



@Seebär Harry:



Nix Uni, commodore und ich sind an der FH in Kiel! :wink:



@mich selbst:



Mann, sind die diversen Numerusfehler in den obigen Postings peinlich... :oops: :ohno:



Schönen Gruß (jetzt wieder) aus Kiel,



Ole aka Motti

[Seebär Harry]

:roll: :oops: Dem schließe ich mich an - 'tschuldigung... :oops:Na, ausnamsweise angenommen, weil ihr es seid. :lol:

[aufluschi]

@motti

@commodore

Na das war ja ne tolle Präsentation :respekt:

Aber ich werde meine Frage doch lieber umformulieren :oops:

Kann ich dieses Rohr als Mast verwenden?

http://www.drachenwerkstatt.de/Staebe/frameset-Staebe.php?KONTENTSID=8ea909e9e03357350cfd73ddf956 c463

Exel Kohlefaserrohr 10/8 x 825 und 8/6 x 1000 mm

Oder gibt es gar was Leichteres und Stabileres? Und wenn ja wo?

Der Mast soll unten aus einem 10er, oben aus einem 8er Rohr bestehen, geklebt, nicht steckbar. Exel-Rohr wegen der hohen Maßgenauigkeit. Geklebt wird mit Sekundenkleber und Kohlefaserrowings. Bohrungen sind sehr klein (1 bis max. 1,5 mm) und es sind auch nur sehr wenige. Mastfuß mit den meisten Bohrungen ist aus Alu.

Danke und Gruß

Markus

Geposted nach 47 Minuten 27 Sekunden:

Hier gibt es zum Beispiel Rohre 10/9er und 9/8er mit einer 0,5 mm Wandung.

http://www.carbon-team.de/100mm90mm-1000mm-p-372.html

Die wiegen nur noch ca. die Hälfte der "normalen" CFK-Rohre.

http://www.carbon-team.de/100mm80mm-1000mm-p-38.html

Die Extra leichten Rohre wiegen nur noch die Hälfte, sind dafür aber mehr als doppelt so teuer :shock:.

Aber einmal unabhängig vom Preis, wichtig ist in erster Linie die Stabilität und dann erst das Gewicht.

Da ich ja keine Anhaltspunkte habe, weiß ich nicht, nach was ich beim Hersteller bezüglich der Festigkeit fragen müsste. Gibt es da Werte anhand derer man die einzelnen Rohre untereinander vergleichen könnte?

Gruß

Markus

[Frank Andrees]

Hallo Markus,

so sind sie halt unsere angehenden Ingenieure. :mrgreen:

War bei mir während des Studiums auch so. Da habe ich auch die Widerstände und Kondesatoren berechnet und alles theoretisiert. Heute wird einfach in die große Kiste gegriffen und ein bißchen probiert. :pfeif:

Aber nun zurück zu Deiner Frage.

Ja, Du kannst die Kohlefaserrohre als Mast nehmen.

Ich habe auch CFK-Rohr bei meiner Jollie verwendet. Der Mast ist ca. 1,4 m hoch. Ich mußte das Meterstück verlängern. Ich habe einfach ein 40 cm Stück CFK-Stange mit Sekundenkleber eingeklebt. Hält bombenfest.

Die Mastbeschläge sind bei mit auch angeschraubt. Gibt auch keine Probleme.

Mit freundlichen Grüßen

Frank

[aufluschi]

@Frank

ohne die tollen Ausführungen oben schmälern (und auch nicht missen) zu wollen, dass ist dann doch eher eine Antwort mit der ich was anfangen kann.

Jetzt würde mich noch interessieren, wie das mit den extrem leichten Rohren aussieht. Ich nehme mal an, dass Du wohl eher die normalen CFK-Rohre genommen hast?! Aber selbst da gibt es noch (Preis-) Unterschiede von 100%. Den/Die anderen Unterschied/e (wenn es denn einen/welche gibt) kann ich von "außen" nicht erkennen.

Die Extrem leichten Rohre kommen schon alleine des Preises wegen nicht in Frage. Und wenn doch, müsste ich erst ein oder zwei meiner Leichen im Keller verkaufen :wink: . Was allerdings (dem Keller und mir) sicher nicht schaden würde :lol:

Immerhin könnte ich nur alleine an dem Metallgelumpe am und um den Mast ca. 100 Gramm Gewicht einsparen.

Gruß

Markus

[JL]

Hallo Markus,

Immerhin könnte ich nur alleine an dem Metallgelumpe am und um den Mast ca. 100 Gramm Gewicht einsparen.

Ich weiss nicht, an welchem Boot Du gerade arbeitest, aber generell gilt, dass Gewichtseinsparung oben immer gut ist. Besonders bei Segelbotoen sind 100 g im Kiel einiges mehr wert.

[aufluschi]

@Jürgen

im konkreten Fall geht es um die Miramare von Graupner. Ich habe sowieso schon ein Gewichtsproblem, so dass unten 100 Gramm mehr nicht in frage kommen, so lange ich oben nicht abgespeckt habe.

Gruß

Markus

[Hartmut Wlodarczyk]

@motti und commodore, prima Ausführungen, die man nach längerem überlegen sogar verstehen konnte. Tatsächlich hatte ich aber mit den MPa meine Schwierigkeiten, da ich noch aus der kp-Generation stamme und schon bei N eigentlich hätte rechnen müssen.

@Aufluschi

Nun aber zur ursprünglichen Frage und den CFK-Rohren. Die Dinger aus dem Drachenladen kann ich uneingeschränkt empfehlen. Wenn ich an die Belastung meiner Lenkdrachen denke, dann kannst Du daraus immer einen Mast machen.

Solltst Du einen konischen Mast brauchen, dann gehe zum Angelladen und kaufe eine entsprechende Angel. So etwas findet man häufig in der Grabbelkiste und der Verkäufer ist dann wenn er den Zweck kennt auch häufig hilfreich.

Auf meiner Collie habe ich das so gemacht.

Gruß Hartmut

[Frank Andrees]

Hallo Markus,

ich habe mir meine bei meinem Fachhändler geholt. Sind die guten Rohre von R&G.

Bei der Miramarespannst Du den Mast ja sogar ab. Dadurch könntest Du auch dünnwandigere Rohre nehmen.

Bei meiner Jollie steht der Mast total frei, ohne irgendwelche Abspannung.

Daher auch die dickwandigeren Rohre.

Wie hast Du es denn geschafft die Miramare zu überladen ??? Die hat doch eigentlich so viel Zuladegewicht.

Mit freundlichen Grüßen

Frank

[aufluschi]

@Frank

ja, sie kann noch ein wenig an Gewicht vertragen, aber nicht oberhalb des Decks. Ich muss schon ziemlich jonglieren, um ihren Hintern aus dem Wasser zu bekommen. Außerdem möchte ich ihr das Kränken ein wenig abgewöhnen.

Wenn ich Dich richtig verstanden habe, dann bist Du der Meinung die dünnen Rohre würden es aushalten?!

Ich werde mich morgen mal bei der Hotline des Herstellers schlau machen. Mal sehen, ob die mir eine (für mich) verwertbare Antwort geben können.

Gruß

Markus

[Motti]

@aufluschi:

"Gekränkt" ist das, was du hoffentlich nicht bist, wenn ich dir sage, dass die Neigung eines Schiffes um die Längsachse Krängung heißt. :wink: Neigung um die Querachse nennt man Trimm.

Ansonsten ist es eine gute Maßnahme, die Stabilität durch Einsparen von Gewicht im Topp zu erhöhen; dafür ist ein Kohlemast gut geeignet. Kann es sein, dass die teuren Rohre, von denen du sprachst, gewickelt und nicht pultrudiert sind? Die sind dann zwar etwas weniger steif als pultrudierte bei gleichen Abmessungen und gleichem Fasergehalt, dafür aber auch auf Torsion und Querbeanspruchung belastbar.

Gruß aus Kiel,

Ole aka Motti

[aufluschi]

@motti

Nein, ich bin nicht gekränkt! Beschämt wäre da wohl das passendere Wort :oops:

bei den "normalen" CFK-Rohren steht:

Voll-Carbon-Rohr, gezogen und glatt (pultrudiert). HT-Carbonfaser Toleranz +- 0,1mm.

Bei den extra leichten Rohren steht nichts von wegen pultrudiert.

Gruß

Markus

Geposted nach 2 Tage 3 Stunden 5 Minuten 16 Sekunden:

@all

ich habe beim Carbon-team.de nachgefragt, in wie weit die extrem leichten Kohlefaserrohre in Sachen Stabilität mit den "normalen" Rohren (Wandung 1,0 mm) vergleichbar sind, und ob ich die dünnen (Wandung 0,5 mm) auch als Mast verwenden könnte. Die Antwort war, dass die Rohre mit der dünnen Wandung den Belastungen wohl nicht standhalten würden. Diese würden zwar nicht brechen, aber sich wohl zu stark/leicht verformen :cry:

Einerseits schade, weil man nochmals sehr leicht etliche Gramm hätte einsparen können, andererseits beruhigend, weil die extrem leichten Rohre um ein Vielfaches teurer sind :shock:

Ich ahbe also die normalen Rohre bestellt.

Danke und Gruß

Markus

Geposted nach 1 Tag 14 Stunden 58 Minuten 4 Sekunden:

Die Lieferung ist da. Ein 10er Rohr und ein 8er Rohr mit 1 mm Wandung. Ich hatte darum gebeten vor dem Versand zu prüfen, ob dass 8er Rohr in das 10er Rohr passt, so dass ich die Rohre ohne Nachbearbeitung ineinander stecken und verkleben kann. Es passt hervorragend :that:

Die Stäbe sind sogar noch etwas leichter (5 bis 10%), als angegeben :that:

Die Rohre sind, bei gleicher Abmessung, wesentlich steifer als ein Alumast, bei der Hälfte des Gewichts :that:

Aber ein steiferer Mast muss nicht bei jedem Boot erwünscht sein! Ich spreche hier nur von der Miramare.

Durch die hohe Steifigkeit kann ich auf die Saling verzichten, was weit oben noch einmal Gewicht einspart. (Gewichts-) Kraft mal Hebelarm ....

Jetzt wo ich gesehen habe wie steif/stabil die Rohre sind, bin ich geneigt zu behaupten, dass mit den dünnwandigen Rohren (0,5 mm Wandung) die gleiche Stabilität wie bei einem Alumast erzielt werden kann. Der Preis ist aber entsprechend hoch. Aber das Gewicht mit nur ca. einem Viertel auch entsprechend niedrig.

Jetzt bräuchte ich nur noch einen Tipp, wo man auch noch andere Carbon-Halbzeuge herbekommt. Bisher habe ich nur Rundstäbe, Rohre und Platten gefunden. Ich dachte an Rechteckrohre, T-Profile etc. Hat mir jemand eine Adresse wo man so was bekommen kann?

Gruß

Markus