Faserverstärkte Kunststoffe (GFK & CFK)

Um Kunststoffe in ihrem Eigenschaftsprofil zu beeinflussen, hat sich neben der Möglichkeit zur Beimischung von Additiven und Weichmachern vor allem der Zusatz von Fasermaterialien bewährt. Die mechanischen Qualitäten werden verbessert, Härte, Steifigkeit, Wärmeformstabilität, elektrische Leitfähigkeit, chemische Beständigkeit und Abriebverhalten nachhaltig gesteigert.Faserverstärkte Kunststoffe sind also extrem stabil, haben ein geringes Gewicht und sind leicht zu verarbeiten. Sie eignen sich daher für Bauteile im Flug- und Fahrzeugbau ebenso wie für Sportgeräte und Sturzhelme. Kamen beim Stabhochsprung in der Mitte des 20. Jahrhunderts noch Stäbe aus Bambus oder Holz zum Einsatz, wurden Sprünge über die 6-Meter Marke erst durch Sportgeräte aus glasfaserverstärktem Epoxidharz (GFK) möglich. Ein weiteres typisches Beispiel sind besonders leichte Fahrradrahmen aus mit Kohlenstofffasern verstärktem Kunststoff (CFK), die im Profiradsport den Metall-Drahtesel vollkommen ersetzt haben. Der Massenanteil von CFK-Strukturen beim neuen Flugzeug A 380 wird bei 22 % liegen. Und auch Michael Schumacher hatte bei seinem letzten Weltmeistertitel ein Lenkrad aus faserverstärktem Kunststoff in der Hand.

Eigenschaften

Die charakteristischen Merkmale polymerer Werkstoffe werden mit Faserzusätzen nahezu ideal auf den Anwendungsfall eingestellt. Neben der Faserart sind Länge und Form der Fasern entscheidende Kriterien für die Veränderung des Eigenschaftsprofils. Außerdem hat die Ausrichtung des Fasermaterials Einfluss auf die mechanische Belastbarkeit. In Faserrichtung fallen die Festigkeitswerte höher aus als quer dazu.

Als Fasermaterialien haben in der Polymerindustrie insbesondere Glas-, Aramid- und Kohlenstofffasern große Bedeutung. Unter Umweltgesichtspunkten sind in den letzten Jahren auch zahlreiche Anwendungen mit Naturfasern hinzugekommen. Wegen der niedrigen Werkstoffkosten sind Glasfasern die wichtigsten Verstärkungsmaterialien für Kunststoffe. Sie weisen mit 2400 bis 3500 N / mm² hohe Zugfestigkeiten auf, sind chemisch und thermisch beständig und gut zu verarbeiten. Mit Glasfasern verstärkte Polyester weisen beispielsweise Dauergebrauchstemperaturen zwischen -100 und +155 °C auf.

Aramidfasern haben bei einer Dichte von 1,45 g / cm³ ähnliche Festigkeitswerte wie Glasfasern, sind aber 10 Mal teurer. Sie kommen insbesondere dann zur Anwendung, wenn schlagzähe Eigenschaften benötigt werden.

Kohlenstofffasern bieten unter allen möglichen Zusätzen die besten Qualitäten. Sie sind bis zu Temperaturen von etwa 4000 °C beständig, was sie für Anwendungen in Luft- und Raumfahrt besonders geeignet macht. Auffallend ist die hohe Zugfestigkeit, die bei Spezialtypen bis zu 4700 N / mm² betragen kann.

Zu den für die Kunststoffverstärkung verwendbaren Naturfasern zählen Flachs, Hanf, Jute, Sisal und Ramie. Sie haben im Vergleich zu Glas-, Aramid- und Kohlenstofffasern Festigkeitsnachteile, sind aber leichter zu entsorgen, haben ein geringeres Gewicht und wirken wärmedämmend und schallisolierend.

Anwendung

Die Verwendungsgebiete faserverstärkter Kunststoffe sind vielfältig. Oftmals haben sie die traditionell zur Anwendung kommenden metallischen Werkstoffe ersetzt. Dies kann man vor allem im Fahrzeugbau feststellen. Durch die knapper werdenden Energieressourcen ist man gezwungen, den Treibstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen erheblich zu senken. Leichtbaukonstruktionen werden hierzu entwickelt, die zu einem großen Teil aus faserverstärkten Bauteilen zusammengesetzt werden. Die guten Isolationseigenschaften machen glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) zudem besonders für die Elektroindustrie interessant. Im Freizeitbereich sind uns GFK-Profile als Zeltstangen, Segellatten oder Drachengestänge bekannt.

Kohlenstofffasern haben sich für Bauteile mit hohen thermischen und mechanischen Anforderungen bewährt. Die hohen Festigkeiten werden im Bootsbau, bei Rotorblättern oder Sportartikeln wie z. B. Golfschlägern besonders geschätzt. Aramidfasern kommen auf Grund ihrer hohen Schlagzähigkeit zum Beispiel bei schusssicheren Westen zum Einsatz. Außerdem sind bruchsichere Cockpitfenster aus aramidfaserverstärkten Kunststoffen (RFK).

Verarbeitung

Die Verarbeitung des Fasermaterials richtet sich vor allem nach Länge und Form des vorliegenden Materials. Kurzfasern werden der Polymermasse einfach zugesetzt und im Spritzguss oder durch Extrusion verarbeitet. Für Langfasern mit einer Länge von 5-25 mm eignet sich das Fließpressen. Endlosfasern und Rovings (gleichgerichtete Faserstränge) werden üblicherweise in einer Endlos-Produktionstechnik wie dem „Pultrusionsverfahren“ zu Bauteilen und Profilen mit Wanddicken von 1-30 mm verarbeitet. In dem Prozess durchläuft der Faserstrang zunächst ein Harz-Bad, wird dann im beheizten Werkzeug in Form gebracht und härtet schließlich infolge der duroplastischen Vernetzung des Kunststoffs zum Profilaus. Durch Einsatz von Wickelrobotern kann das Verfahren auch zur effizienten Herstellung rotationssymmetrischer und hochfester Bauteile wie Rohre oder Tanks verwendet werden. Es ist dann unter der Bezeichnung „Nasswickeln“ bekannt. Für die Anfertigung von Bootsrümpfen können Fasermatten, -geflechte oder -gewebe durch Handlaminieren sehr einfach verarbeitet werden. Das Fasermaterial wird zunächst in einem Harzbad getränkt und anschließend händisch angedrückt. Der Vorteil flächiger Verbundstrukturen ist, dass Belastungen in allen Richtungen aufgenommen werden. Sie eignen sich daher für hoch belastete Bauteile. Für die Massenproduktion von Profilen werden Fasermatten und Faservliesen automatisch laminiert.

Die Bearbeitung faserverstärkter Profile ist mit den üblichen zerspanenden Verfahren möglich und ähnelt der Metall- oder Holzbearbeitung. Für das Bohren von GFKProfilen bis zu einem Bohrdurchmesser von 12 mm eignet sich ein einfacher Hartmetallbohrer. Größere Löcher sollten mit einem diamantbesetzten Bohrer gebohrt werden. Zur Erzielung höherer Schnittgeschwindigkeiten beim Sägen und Fräsen werden diamantbesetzte Sägeblätter (Schnittgeschwindigkeit 1800–3600 m / min) sowie Hartmetall- und Diamantfräser empfohlen. Da faserverstärkte Profile schlechte Wärmeleiter sind, ist ein Kühlmitteleinsatz ratsam. Für das Drehen von GFK reicht die Standardausstattung aus der Metallverarbeitung. Die Schnittgeschwindigkeit sollte wie bei der Verarbeitung von Messing oder Aluminium gewählt werden. Stanzen lassen sich glasfaserverstärkte Kunststoffprofile mit Materialdicken von bis zu 10 mm mit Werkzeugen aus gehärtetem Stahl. Zum Kleben faserverstärkter GfK-Profile eignen sich Klebstoffsysteme auf Polyurethan- oder Epoxidharzbasis. Selbstschneidende Schrauben sind für die Anbringung von Verschraubungen geeignet. Zusätzlicher Klebstoffeintrag erhöht die Verbundfestigkeit.

Lieferformen

Die unterschiedlichen Fasermaterialien sind in Form von Rovings, Vliesen, Matten, Geweben, Gelegen, Geflechten und als Lang- und Endlosfasern erhältlich. Kurzfasern haben eine Länge von bis zu 5 mm und sind in den für die Weiterverarbeitung erhältlichen Kunststoffmassen in der Regel schon zugesetzt. Faserverstärkte Profile werden in vielen Varianten vertrieben. Rohre und Stäbe aus glasfaserverstärktem Kunststoff sind im Modellbau beliebt.