Faserverbundwerkstoffe

Warum Faserverbundwerkstoffe?

(Quelle: DLR Stuttgart)

Weitere Werkstoffvorteile

• Geringe Wärmeausdehnung
• Korrosionsbeständigkeit
• Stufenweises Versagen
• Hohe Schwingfestigkeit
• Günstiges Schlagverhalten

 
Kostengünstige Bauweisen

• Weniger Einzelteile
• Geringer Materialabfall
• Gute Formbarkeit

 

Was sind Faserverbundwerkstoffe?

Verschiedenartige Materialien zu einem Werkstoffverbund zu kombinieren, um verbesserte Eigenschaften zu erzielen, ist in der Natur ein ebenso selbstverständliches Prinzip wie der Leichtbau. Diese, der Natur abgeschaute Bauweise hat viele technische Bereiche geradezu revolutioniert. Erstmals stehen hochfeste und dabei leichte Werkstoffe mit überragenden Eigenschaften zur Verfügung. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt werden durch niedrige Strukturgewichte wesentliche Energieeinsparungen und Leistungssteigerungen erzielt.

Der Einsatz von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen in der Raumfahrt ist vor allem wirtschaftlich begründet. Wegen der hohen Energiekosten ist man bereit, in diesem Bereich bis zu € 25.000 pro kg Gewichtsersparnis aufzuwenden. Bei der Luftfahrtindustrie sind dieses 250 - 750 €/kg, in der Fahrzeugindustrie 0 - 2,50 €/kg (ausgenommen im Rennsport).

Da FVW im allgemeinen teurer sind als Kompaktwerkstoffe (z.B. Metalle) und höhere Anforderungen an die Auslegung und die Verarbeitungstechnologie gestellt werden, ist dieser Anreiz für den normalen Fahrzeugbau relativ gering, während er in der Luft- und Raumfahrt deutlich zum Tragen kommt.

Mit sinkendem Preis und zunehmendem, allgemein zugänglichem Know-How für die Verarbeitung haben sich FVW auf breiter Ebene durchgesetzt. Kaum noch wegzudenken sind sie im Motorsport, Modell- und Sportgerätebau. Anwendungen im Maschinenbau sind im Vormarsch.
 

(Quelle: DLR Stuttgart)

Weitere Infos Faserverbundwerkstoffe

 

Konstruieren mit Faserverbundwerkstoffen

Faserverbundwerkstoffe sind anders als Metalle

• Richtungsabhängige Eigenschaften
• Werkstoffendzustand wird erst im Bauteil erreicht
• Vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten durch Variation von:
  a.) Faser- und Matrixwerkstoff
  b.) Faserrichtung
  c.) Lagenanzahl

 

(Quelle: DLR Stuttgart)

Regeln der Bauteilgestaltung

• Fasern in Richtung der angreifenden Lasten
• Möglichst symmetrischer Lagenaufbau
• Großflächige Krafteinleitungen

 

Kennwerte von Duroplasten

Werkstoff	Dichte	Bruchdehnung	Lieferform	Verarbeitungstemperatur	Gebrauchstemperatur der Bauteile
UP ungesättigte Polyesterharze	1,12 - 1,25 g/cm³	> 3 %	flüssig	Raumtemperatur bis 180°C	50 - 160 °C
EP Epoxidharze	1,1 - 1,25 g/cm³	6 - 8 %	flüssig	Raumtemperatur bis 230°C	45 - 230 °C

Die Bruchdehnung von Laminierharzen sollte vorzugsweise gleich oder grös-ser der Bruchdehnung der Verstärkungsfasern sein, damit im Belastungsfall kein Bauteilversagen durch Brüche und Risse im Harz eintritt.

Verarbeitungstemperatur:
Der höchste Wert beschreibt die maximal erforderliche Temperatur bei der Warmhärtung. Diese Warmhärtung ist nur bei einigen Temperharzen mit entsprechend hoher Temperaturbelastbarkeit erforderlich.
Die überwiegend angebotenen kalthärtenden Harze erreichen bei Raumtemperatur nahezu ihre volle Festigkeit. Die Gebrauchstemperatur der Bauteile liegt meist bei 50-80 °C.

 

Werkstoff	Verarbeitungsschwindung	Nachschwindung	Reaktionswärme	Lagerfähigkeit
UP ungesättigte Polyesterharze	-10, linear um 2 %	bis 3 %	exotherme Reaktion mit teilweise hoher Wärmeentwicklung (besonders beim Vergießen zu berücksichtigen, Härter entsprechend auswählen).	dunkel, kühl, gut verschlossen bis 6 Monate
EP Epoxidharze	1 - 3 %	< 1 %		dunkel, kühl, gut verschlossen 12 Monate

Verarbeitungsschwindung
Der Schwund erfolgt bei Epoxidharzen in der flüssigen Phase, also hauptsächlich innerhalb der Verarbeitungszeit.

Die Nachschwindung ist bei unverstärkten Harzmassen am größten. Verstärkungen, z.B. durch Glasgewebeeinlagen, verringern das Schwundmaß erheblich. Beim Tempern (Nachhärten bei erhöhter Temperatur)
ist ebenfalls eine leichte Nachschwindung zu erwarten, da sich noch reaktionsfähige Harz- und Härtermoleküle verbinden und somit enger zusammentreten.

 

Werkstoff	Beständig gegen (eine Auswahl)	Nicht beständig gegen (eine Auswahl)	Brennbarkeit	Reparatur
UP ungesättigte Polyesterharze	Wasser, wäßrige Lösungen, Heizöl, Benzin	heißes Wasser, konzentrierte Säuren und Laugen, Benzol, Alkohol, Toluol	nicht selbstverlöschend	auflaminieren und kleben
EP Epoxidharze	Alkohol, Benzin, Benzol, Mineralöle, Fette	heißes Wasser, Ester, konzentrierte Säuren und Laugen, Ketone, Aceton	schwer entzündbar, brennt weiter

 

Werkstoff	Zugfestigkeit MPa	Zugmodul GPa	Biegefestigkeit MPa	Biegemodul GPa
UP ungesättigte Polyesterharze	50 - 70	3,5 - 4,7	60 - 120	4,0 - 5,0
EP Epoxidharze	70 - 90	2,8 - 3,6	140 - 160	4,5 - 6,0

 

Verschiedenartige Materialien zu einem Werkstoffverbund zu kombinieren, um verbesserte Eigenschaften zu erzielen, ist in der Natur ein ebenso selbstverständliches Prinzip wie der Leichtbau.

Diese, der Natur abgeschaute Bauweise hat viele technische Bereiche geradezu revolutioniert. Erstmals stehen hochfeste und dabei leichte Werkstoffe mit überragenden Eigenschaften zur Verfügung.

Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt werden durch niedrige Strukturgewichte wesentliche Energieeinsparungen und Leistungssteigerungen erzielt.

Der Einsatz von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen in der Raumfahrt ist vor allem wirtschaftlich begründet. Wegen der hohen Energiekosten ist man bereit, in diesem Bereich bis zu Euro 25.000 pro kg Gewichtsersparnis aufzuwenden. Bei der Luftfahrtindustrie sind dieses 250 - 750 Euro/kg, in der Fahrzeugindustrie 0 - 2,50 Euro/kg (ausgenommen im Rennsport).

Da FVW im allgemeinen teurer sind als Kompaktwerkstoffe (z.B. Metalle) und höhere Anforderungen an die Auslegung und die Verarbeitungstechnologie gestellt werden, ist dieser Anreiz für den normalen Fahrzeugbau relativ gering, während er in der Luft- und Raumfahrt deutlich zum Tragen kommt.

Mit sinkendem Preis und zunehmendem, allgemein zugänglichem Know-How für die Verarbeitung haben sich FVW auf breiter Ebene durchgesetzt. Kaum noch wegzudenken sind sie im Motorsport, Modell- und Sportgerätebau.  Anwendungen im Maschinenbau sind im Vormarsch.

 

Das Funktionsprinzip

Ein Faserverbundwerkstoff (FVW) wird durch Zusammenfügen mehrerer Werkstoffe hergestellt:

1. der formgebenden Matrix (z.B. Epoxid- oder Polyesterharz)
2. den verstärkenden, hochfestenFasern (meist Glas-, Aramid- und Kohlenstoff)
    

Hauptsächlich benötigte Werkstoffe: ein Harzsystem und Verstärkungsfasern

Faserverbundwerkstoffe sind im Prinzip vergleichbar mit Stahlbeton, bei dem ein spröder, formgebender Werkstoff (Beton) durch Stahleinlagen verstärkt wird.

Die Fasern werden in eine flüssige Reaktionsharzmasse eingebettet und beim Härten des Harzes in dem so entstehenden festen Formstoff verankert. Auch kompliziert gestaltete und sehr große Teile können in einem Arbeitsgang mit verhältnismäßig geringem Aufwand hergestellt werden.

Die Wahl des Verarbeitungsverfahrens richtet sich nach der Stückzahl und der Größe der herzustellenden Teile sowie nach den Anforderungen in Bezug auf mechanische Festigkeit und sonstige Eigenschaften, wie z.B. Transparenz, Beschaffenheit der Oberfläche, Maßhaltigkeit usw.

Generell gilt: Der Faserverbundwerkstoff entsteht erst durch das Zusammenfügen von Harz und Fasern, d.h. der Verarbeiter stellt ihn selbst her. Für die Eigenschaften des Endprodukts sind daher ein sorgfältiges Verarbeiten und Aushärten neben der Bauteilauslegung (Faserorientierung, Faseranteil, Lagenzahl und Gewebe) zwangsläufig von entscheidender Bedeutung.

 

Handlaminat aus Epoxidharz + Glasgewebe (Corvette-Motorhaube)

 

Festigkeit

Die Festigkeit eines FVW wird wesentlich durch die Verstärkungsfaser bestimmt.

Prinzip 1: Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach größere Festigkeit als das gleiche Material in anderer Form. Zudem gilt: je dünner die Faser, umso größer ist die Festigkeit. (A.A. Griffith)

Prinzip 2: Ein Verbundwerkstoff kann als Ganzes Spannungen aufnehmen, die die schwächere Komponente zerbrechen würden, während von der stärkeren Komponente im Verbund ein höherer Anteil seiner theoretischen Festigkeit übernommen werden kann, als wenn sie alleine belastet würde. (G. Slayter)

Bei der Betrachtung der Festigkeiten unterscheidet man zwischen statischer und dynamischer Festigkeit.

Die statische Festigkeit bezieht sich auf einfache Belastungsfälle (Zug, Druck, Biegung etc.) während die dynamische Festigkeit das Verhalten bei häufig wechselnder Belastung (Biegewechsel mit wechselnder Kraft und Frequenz, entsprechend kombiniert auftretende Zug-, Druck- und Schubkräfte) bestimmt.

Vor allem dort, wo häufige Biegewechsel auftreten, ist eine gute dynamische Festigkeit erforderlich (z.B. Holmkonstruktionen im Flugzeugbau).

Epoxidharze zeigen selbst bei mehreren zehntausend Lastwechseln den geringsten Festigkeitsabfall und damit die größte dynamische Festigkeit.
 

Matrix (Harz-Einbettung)

Das Reaktionsharz als Bindemittel (Matrix) hat die Aufgabe, die Fasern zu stützen und die auf das Formteil einwirkenden Kräfte auf sie zu verteilen. Dies macht eine gute Haftung des Harzes auf den Fasern notwendig.
Das Reaktionsharz bestimmt im wesentlichen folgende Eigenschaften: Chemikalienfestigkeit, Alterungsbeständigkeit, Kratzfestigkeit, elektrische Eigenschaften sowie den Schwund beim Härten.
Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Wärmedehnung und spezifische Wärme hängen ab vom Mengenverhältnis der Komponenten Reaktionsharz, Reaktionsmittel, Fasern und Füllstoffe.

 

Fasern

Die mechanischen Eigenschaften der Formstoffe, z.B. Zug-, Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit sowie die Fähigkeit zur Arbeitsaufnahme, sind hauptsächlich durch die Eigenschaften der Fasern bedingt. Sie können durch Wahl der Fasererzeugnisse, den Fasergehalt und die Orientierung der Fasern beeinflußt werden.

 

Härten

Die Eigenschaften des gehärteten Reaktionsharzformstoffes und damit des Formteiles hängen nicht nur vom Ausgangsmaterial ab, sondern auch in hohem Maße von der Führung des Härtungsprozesses. Kenntnisse über die Vorgänge beim Härten des Reaktionsharzes sind daher für den Verarbeiter unerläßlich.
Beim Härten, d.h. beim Übergang der flüssigen Reaktionsharzmassen in dreidimensional vernetzte Produkte, wird zwischen drei Reaktionsarten unterschieden:

Polymerisation (z.B. ungesättigte Polyesterharze)

Unter dem Einfluß von Reaktionsmitteln, z.B. Peroxiden und Beschleunigern, reagieren die Doppelbindungen der Ausgangskomponenten unter Freiwerden von Reaktionswärme miteinander; es entstehen durch Vernetzen der Moleküle der Ausgangskomponenten hochmolekulare Substanzen.
Liegen mehrere Ausgangskomponenten vor, wie z.B. ungesättigte Polyester und Styrol bei UP-Harzen, so spricht man von Mischpolymerisation.
Die Polymerisationsreaktion benötigt nach dem Zugeben der Reaktionsmittel eine gewisse Anlaufzeit. Anschließend geht die Reaktionsharzmasse ohne Freiwerden flüchtiger Produkte verhältnismäßig schnell unter Erwärmung und raschem Ansteigen der Viskosität in den festen Zustand über. Der einmal eingeleitete Härtungsvorgang kann nicht mehr unterbrochen werden und ist irreversibel.
Polymerisations-Reaktion

 

Polyaddition (z.B. Epoxid-Harze)

Im Gegensatz zur Polymerisationsreaktion werden hier dem Reaktionsharz wesentlich größere Mengen an Reaktionsmitteln zugegeben, und zwar in stöchiometrischen Mengen. Die Eigenschaften des Endproduktes hängen daher sowohl vom eingesetzten Reaktionsharz als auch vom Reaktionsmittel ab. Der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand vollzieht sich bei der Polyaddition im allgemeinen langsamer und gleichmäßiger als bei der Polymerisation. Bei der Reaktion wird Wärme frei.

Polyadditions-Reaktion

 

Polykondensation (z.B. Phenolformaldehyd-Harze)

Im Gegensatz zur Polymerisation und Polyaddition reagieren hier die Ausgangskomponenten unter Abspalten von Nebenprodukten, z.B. Wasser. Die Reaktion kann stufenweise durchgeführt werden. Im Allgemeinen werden vorkondensierte Harze verarbeitet, zu deren Härtung meist nur noch Wärme notwendig ist.

Polykondensations-Reaktion

 

Bruchdehnung

Bei einer Zugbeanspruchung darf das Harz nicht vor der Faser brechen, da es sonst durch Risse zu einem Versagen des gesamten Bauteils kommt. Die Bruchdehnung der Harze sollte daher vorzugsweise größer sein, als die der üblichen Verstärkungsfasern.

 

Harz/Faser-Haftung

Die Güte eines Verbundwerkstoffes hängt vor allem auch von der Haftung des Harzes auf den Verstärkungsfasern ab. Je besser diese Haftung, umso höher ist die Festigkeit.
Um dies zu erreichen, werden Glasgewebe mit Haftvermittlern (Silanen, verschiedenen Finishs) behandelt, damit eine möglichst feste (chemische) Verbindung mit dem Harz entsteht. Eine Ausnahme bilden Aramidfasern (Kevlar®, Twaron®) für die kein chemischer Haftvermittler verfügbar ist. Kohlenstofffasern werden mit einer Epoxidharzschlichte versehen.

 

K1S16B1.jpg

Handlaminat
Tränken eines Kohle/Aramid-Gewebes mit Epoxidharz
für einen Segelflugzeugrumpf

 

 

 

 

 

 

 

 

K1S16B2.jpg

Handlaminat
Verkleben von Tragflächenrippen auf einen Holm aus GFK
(Flugzeugbau-Workshop der Aero-Luftfahrtmesse, Friedrichshafen).

 

 

 

 

 

 

(Nach VDI-Richtlinie 2010 und Ehrenstein, Faserverbundkunststoffe, Hanser-Verlag)

 

 

 

Einsatzgebiete von Faserverbundwerkstoffen und die besonderen Eigenschaften

 

Einsatzbereich	Anwendungsbeispiele	Besondere Eigenschaften
Raumfahrt	Antennenkomponenten, Satellitenstrukturen, Druckbehälter, Parabolspiegel, Hohlleiter, Gestelle für optische Geräte und Meßapparaturen.	Geringes Gewicht, Wärmedehnung durch ausgewählte Verstärkung bis Null einstellbar.
Luftfahrt	Komplette Rümpfe, Holmkonstruktionen und Tragflächen Leitwerke (z.B. im Motor- und Segelflugzeugbau, Ultraleichtflugzeuge), Sekundärstrukturen (Fußboden und Wandverkleidungen) sowie Teile der Primärstruktur (Leitwerk) bei Verkehrs-flugzeugen (Airbus), Hubschrauberzellen, Rotorblätter, Propeller, Tanks.	Geringes Gewicht, ausgezeichnete statische und dynamische Festigkeit, sehr gute Ermüdungsbeständigkeit, integrierte Bauweise, Einsparung bei der Montage aufgrund weniger Bauteile, korrosionsbeständig.
Sport und Freizeit	Modellbau, Boots- und Surfbrettbau, Skier, Schläger aller Art, Angelruten.	Geringes Gewicht, kostengünstige Fertigung, gute Anpassungsmöglichkeit an schnellebige Produkte.
Fahrzeugbau/Verkehrstechnik	Großflächige Karosserieteile, Tanks, Kardanwellen, Blatt- und Spiralfedern, Drehstäbe, Stoßfänger, Chassisrahmen, Versteifungselemente, Zwischenwände und Verkleidungen bei Eisenbahnwaggons, LKW-Aufbauten.	Kraftstoffeinsparung durch besonders niedriges Gewicht, gute Dämpfungseigen-schaften, korrosionsbeständig.
Energietechnik	Flügel von Windenergieanlagen, Windkanalgebläse, Gasleitsysteme.	Dynamisch hoch belastbar, lange Lebensdauer, korrosionsbeständig.
Maschinen- und Anlagenbau	Schnell bewegte Teile in Verpackungs-, Druck-, Strick- und Webmaschinen, Behälter, Rohrleitungssysteme, Rührwerke, Pumpenelemente und -gehäuse.	Geringe Massenträgheit, hohe Schwingfestigkeit, Wartungsarmut, sehr gute chemische Beständigkeit, einfache und anforderungsgerechte Gestaltung.
Medizintechnik	Arm- und Beinprothesen, Rollstühle, Orthesen, Implantate, medizinische Geräte (z.B. Liegen für Röntgenapparate).	Geringes Gewicht, hohe Steifigkeit, gute Körperverträglichkeit.

Bildnachweis

Raumfahrt: NASA; Luftfahrt: Hexion AG (Bakelite); Sport- und Freizeit: Oxeon; Fahrzeugbau/Verkehrstechnik: O.C.P. Kunststoffe Lyss via Swiss-Composite; Maschinen- und Anlagenbau: Wacker-Chemie; Medizintechnik: Die Wethje bzw. Hexion/Bakelite