Faser-Verbundwerkstoffe

Faser-Kunststoff-Verbunde gehören allgemein der Klasse der Verbundwerkstoffe an. Ein faserverstärkter Kunststoff, ist ein Werkstoff, der aus einer Verstärkungsfaser und einer sogenannten Matrix, in der die Fasern eingebettet sind, besteht. Die hohen spezifischen Festigkeiten der Verstärkungsfasern sind ohne einen geeigneten Matrixwerkstoff nicht direkt nutzbar. Die Absicht der Verbundwerkstoffe ist es, durch entsprechende Kombination von Faser- und Matrixeigenschaften, als Summenwirkung, eine verbesserte Verbundeigenschaft zu erzielen. Durch die Vielzahl verschiedenster Fasertypen und Matrizes liefert nicht jede Variation brauchbare Ergebnisse. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Verbunde werden u.a. zugleich von Faserwinkel, Volumenanteil oder Schichtreihenfolge, beeinflusst. 

Welche Matrix?

Als Matrixwerkstoff kommen grundlegend thermo- oder duroplastische Kunststoffe zum Einsatz, wobei nicht unmittelbar zwischen Vor- und Nachteilen unterschieden werden kann. Bei der Differenzierung liegt der Fokus überwiegend auf den technologischen Eigenschaften wie den geforderten Festigkeitswerten, der Verarbeitung sowie Anwendung. Thermoplastische Faserverbunde können beispielsweise mehrfach verformt werden, hingegen weisen duroplastische Faserverbunde höhere Steifigkeitswerte auf.

Welche Faser?

Als technisch relevante Fasern kommen vor allem Glas-, Kohle-, oder Aramidfasern zum Einsatz. Da die Einzelfasern für die Herstellung von Faserverbunde schwer zu handhaben sind, werden ähnlich der Textiltechnik Endlosfasern zu Halbzeugen wie z.B. Gewebe, Geflechte, oder Matten zusammengefasst.

Glasfaser

Die Glasfaser ist aufgrund des günstigen Preis-/Leistungsverhältnisses und ihrer weiterverbreiteten Verwendung in der Elektronindustrie die bis heute meist verwendete Verstärkungsfaser. Glasfasern werden vor allem aufgrund der chemischen Beständigkeit sowie deren dielektrischen Eigenschaft eingesetzt. Häufig kommen auch weitere Glasfasertypen zum Einsatz, wenn vor allem eine höhere mechanische Festigkeit oder Temperaturverträglichkeit gefordert wird.

Kohlefaser

Die Kohlefaser wird synthetisch aus kohlenstoffhaltigem Ausgangsmaterial in einem industriell aufwändigen Prozess gewonnen. Die Fasern weisen hohe Festigkeit und Steifigkeit verbunden mit geringer Bruchdehnung auf. C-Fasern sind elektrisch und thermisch sehr gut leitfähig und weisen im Vergleich zu Glasfasern eine äußerst geringe, negative Wärmeausdehnung auf – dies führt somit zu einer hohen Formstabilität. Weiterhin sind Kohlefasern röntgentransparent und nicht magnetisch.

Aramidfaser

Die Aramidfaser besitzt im Vergleich zu allen anderen Fasertypen die höchste Zugfestigkeit. Ausschlaggebend ist vor allem die hohe Zähigkeit, Schlagfestigkeit und Abriebfestigkeit. Technische Verwendung finden diese Eigenschaften vor allem dann, wenn ein hohes Energieabsorptionsvermögen gefordert wird.

Welche technischen Eigenschaften ergeben sich?

  • hohe gewichtsspezifische Festigkeit - bestens für Leichtbaukonstruktionen
  • sehr geringe Ausdehnungskoeffizienten
  • Beständig gegen Korrosion, Witterung, Chemikalien
  • Gute Schwingungs- und Dämpfungseigenschaften
  • hohe Energieabsorption
  • Dauerfestigkeit bei dynamischer Beanspruchung
  • Transparenz gegen elektromagnetische Wellen, Röntgenstrahlen

Aufgrund der vielseitigen Variationsmöglichkeiten und Eigenschaften sind neben anwendungsspezifischen Auslegungen, auch kostengünstigere anwendungsübergreifende Standardhalbzeuge realisierbar, die bereits eine Vielzahl Anforderungen in großem Maße abdecken. Der Schwerpunkt hierbei bezieht sich auf die Verwendung und Verarbeitung von Kohlefasern.

Halbzeuge

Platten

Bei Standard Plattenmaterialien wird grundsätzlich zwischen Materialien für technisch hochbeanspruchte Bauteile und Halbzeugen für rein für optische Zwecke konzipierte Komponenten unterschieden. Faserverbundbauteile für eine rein technische Auslegung erfordern Überlegungen hinsichtlich Faserorientierung, Gewebeart und Schichtaufbau in Gegenüberstellung mit den technologischen Anforderungen sowie den Herstellungs- und Verarbeitungskosten mit stetiger Fokussierung auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit der späteren Anwendung.

Technische Platten

Für technische Platten werden überwiegende sogenannte Prepregs, also mit Epoxydharz vorimprägnierte Fasergewebe- oder -gelege im Heißpressverfahren unter Temperatur und Druck zu Platten gepresst.

Höchstbeanspruchte Bauteile

Für höchstbeanspruchte Bauteile werden rein unidirektionale Prepregs in abwechselnder Faserausrichtung verarbeitet. Im Gegensatz zu verschlungenen Fasern bedingt durch die Webart, resultieren bei vollständig langgestreckten C-Fasern innerhalb der Matrix, bei gleichbleibender Materialstärke, höhere Steifigkeitswerte.

Großflächige Ultra-Leichtbaukonstruktionen

Bei großflächigen Ultra-Leichtbaukonstruktionen, bei denen der Schwerpunkt auf maximalster Festigkeit bei geringstem Gewicht liegt, kommen häufig Sandwichstrukturen zum Einsatz. Dabei werden zwei Kohlefaserdeckschichten, wiederum im Pressverfahren hergestellt, durch eine entsprechende Zwischenschicht voneinander getrennt, in einem definierten Abstand fixiert. Als Kernmaterial, welches mit dem Matrixwerkstoff verbunden ist, kommen beispielsweise Hartschaum-, Aramid- oder Aluminiumwaben, oder auch leichte Holzkerne zum Einsatz.

Designobjekte

Fällt bei der Auslegung der Schwerpunkt überwiegend auf die besonders ansprechende Struktur und Oberfläche der Kohlefaser und weniger auf die Festigkeit, kommen verschiedene Gewebearten zur Verwendung, die durch ein spezielles Pressverfahren eine ein- oder beidseitig hochglänzende Oberfläche liefern und somit das Ausgangsmaterial für Designobjekte liefern.

Rohre

Die vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten von CFK-Rohren für überwiegend technische Verwendung erfordern ein Auswahl an Standardrohrtypen die möglichst flexibel, kostengünstig und schnell verfügbar und reproduzierbar verschiedenste Anwendungsfälle übergreifend abdeckt. Je nach Rohranbindung, Krafteinwirkung, Schlag- sowie Stoßbeanspruchung wird zwischen drei verschiedenen Rohrtypen unterschieden. Die kostengünstigste Alternative mit maximaler Zugfestigkeit liefern pultrudierte Rohre mit Faserverlauf lediglich in Längsrichtung. Bei höheren Stoß- und Druckbeanspruchungen mit erforderlicher Biegefestigkeit sind gewickelte Prepreg-Rohre vorzuziehen. Rohrverbindungen mit höchsten mechanischen Beanspruchungen liefert das Filament-Winding-Verfahren. Der Großteil der Fasern bildet einen unidirektionalen Verlauf. Je nach Dimensionierung von Außen- und Innendurchmesser bilden etwa 10% der Fasern einen Flechtwinkel von +/-45° bis zu 90°. Die Rohre sind generell in Wandstärken ab 0,5-2,5mm und in Längen bis zu 2000mm möglich.

Sandwich-Materialien

Sandwich-Materialien kommen immer dann zum Einsatz, wenn bei maximaler Belastbarkeit, minimalstes Gewicht gefordert wird. Durch die Kombination verschiedenster Decklagen und Kernmaterialen, ob Schaum- oder Wabenkern, können unterschiedlichste Laminataufbauten realisiert werden. Durch die Variantenvielfalt wird die Abdeckung vielfältigster Einsatzbereiche gewährleistet.