FAQ
Das „Leichtbau“ steht kurz für Leichtbauweisen, und impliziert eine Konstruktionstechnik, die maximale Gewichtseinsparung zum Ziel hat. Gründe dafür sind unter anderem angestrebte Kosten- oder Rohstoffersparnis, sowie die Erhöhung von Nutzlasten oder die Vereinfachung von Montage und Handhabung. Auch die Art und Weise wie Leichtbau erreicht werden kann, ist unterschiedlich. So können integrativ konstruktive, werkstoff- und fertigungstechnische Mittel bei einer Gesamtstruktur eingesetzt werden.
Gründe für einen angestrebten Leichtbau können unterschiedlich sein. Oft kann durch eine Gewichtseinsparung, vor allem im Automobil- oder Luftfahrtbereich, Energieverbrauch und somit Kosten und Rohstoffe bei der Nutzung reduziert werden. Bei häufig beschleunigenden oder abbremsenden Lasten (z.B. Straßen- oder Schienenfahrzeuge, Aufzüge, Roboterteile) können Nutzlast erhöht und Betriebskosten reduziert werden. Leichtbau bietet weiterhin eine flexible Alternative bei Montagen, oder im Hochbau.
Im Allgemeinen kommen vor allem Werkstoffe mit geringer Dichte und hohen mechanischen Eigenschaften zum Einsatz. Dieses kann sowohl ein monolitsches Material oder ein Verbundwerkstoff sein. Metallische Leichtbauwerkstoffe sind z.B. Aluminium, Magnesium und Titan. Daneben gelten heutzutage Faserverbundwerkstoffe als häufig eingesetzte Materialkategorie.
Ein Composite ist ein Verbundwerkstoff, d.h. ein Werkstoff der aus mehreren Komponenten zusammengestellt ist, so dass jedes der einzelnen Komponenten physikalisch eindeutig von dem anderen unterschieden werden kann. Die einzelnen Komponente agieren dann so miteinander so dass der neue Werkstoff neue, verbesserte Eigenschaften besitzt, die mit keinem der einzelnen Komponenten alleine hätte erreicht werden können.
Ein Verbundwerkstoff besteht mindestens aus einer Matrix und einer Verstärkung. Die Matrix ist das Einbettmaterial für die Verstärkung. Sie dient dem Zusammenhalt des Verstärkungsmaterial, schützt die Verstärkung vor Umwelteinflüssen und ist vor allem für die gleichmäßige Krafteinleitung zur Verstärkung zuständig. Die Matrix kann aus Metall (MMC), aus Kunststoff (PMC) oder aus Keramik (CMC) sein. Ähnlich gibt es diverse Verstärkungstypen. Diese werden häufig nach ihrer Form kategorisiert. Somit unterscheidet man z.B. zwischen faserverstärkte, partikelverstärkte Verbundwerkstoffe. Die Verstärkung dient dazu die Last zu tragen, und erhöht somit die mechanischen Eigenschaften der Matrix im Verbund.
Faserverbundwerkstoffe sind faserverstärkte Kunststoffe (FVK), bei denen Fasern in einen Kunststoff eingebettet sind.
Kunststoffe, auch oft als Plastik bezeichnet, sind makromolekulare Ketten aus kovalenten Bindungen, die synthetisch hergestellt werden. Je nach Art des Kunststoffs können die Eigenschaften von elastisch bis zu spröde, oder durchsichtig zu komplett opaque stark variieren. Mechanische Eigenschaften, Wärmeform- oder chemische Beständigkeit hängen stark von der Wahl der Makromoleküle, der Herstellungsverfahren und der Beimischung von Additiven (Zusätzen) ab. Kunststoffe werden in 3 Kategorien geteilt: Thermoplaste, Duroplaste, und Elastomere.
Kunststoffe werden in 3 Kategorien geteilt: Thermoplaste, Duroplaste, und Elastomere. Thermoplaste bestehen aus linearen oder verzweigten Makromolekülen und lassen sich nach Erwärmung plastisch verformen, sowie bei erhöhter Temperatur auch schmelzen.
Bei Duroplasten hingegen sind die Makromoleküle räumlich eng vernetzt. Dieses hat zur Folge, dass Duroplaste sich nicht plastisch verformen und nicht schmelzen lassen. Elastomere werden umgangssprachlich häufig als Gummi bezeichnet. Diese bestehen aus weitmaschig vernetzte Makromoleküle, welche zwar bei Belastung eine Verformung ermöglichen, aber wieder elastisch zurückziehen sobald die Last aufgehoben wird. Die Vernetzung macht es zudem unmöglich ein Elastomer zu schmelzen.
Vor allem Thermoplaste und Duroplaste werden häufig in Faserverbunden eingesetzt. Ihre geringe Dichte bietet eine optimale Grundlage für den Leichtbau. Durch das Beimengen der Verstärkungsfasern können angestrebte mechanische Eigenschaften erreicht werden.
Thermoplaste müssen aufgeschmolzen werden um verarbeitet werden zu können. Zu den am häufigsten genutzten Schmelzverfahren der Industrie gehören die Extrusion und das Spritzgießen. Duroplaste hingegen werden im noch nicht vernetzten Zustand verarbeitet. Für reine (nicht verstärkte) Bauteile wird das Material vor allem in Form gegossen.
Eine Faser ist eine Materialform, bei der das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser>10 ist. Fasern werden in Endlos- (Länge>50 mm), Lang- (Länge =3-50 mm), oder Kurzfaser (Länge<3 mm) unterteilt.
Im Prinzip kann jedes Fasermaterial in eine Matrix eingebettet werden. Am häufigsten kommen allerdings Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Nylon-, Basalt-, und Naturfasern zum Einsatz in Verbindung mit einer Kunststoffmatrix.
Unverstärkte Kunststoffe haben geringe mechanische Kennwerte im Vergleich zu Metallen. Diese sind im Allgemeinen ausreichend für Anwendungen in den Bereichen Verpackung, Elektrotechnik, Gebäudetechnik, etc. sind aber nicht für stark belastete Strukturbauteile im Maschinen- oder Fahrzeugbau geeignet. Indem hochfeste und steife Fasern in den Kunststoff eingebettet werden entsteht ein Kombinationswerkstoff, welches Spannungs-Dehnungseigenschaften zwischen denen der Einzelkomponenten liegt.
Carbon ist das englische Wort für Kohlenstoff. Somit wird die Kohlenstofffaser oft als Carbonfaser bezeichnet.
Eine Einzelfaser aus Carbon hat einen Durchmesser von ca. 7 µm. Als Vergleich: eine Glasfaser hat einen Durchmesser von 24 µm, das menschliche Haar 50-70 µm.
Die Abkürzung CFK steht für Carbon-Faser-Kunststoff Verbund.
Da die Carbonfaser schwarz ist, verleiht es dem Verbund seine kräftige Farbe, die aber oft als „Designer“ Aussehen genutzt wird.
Carbonfaser werden aus organischen Ausgangsmaterialien in Faserform hergestellt. Dafür werden Materialien verwendet, die sich in eine unschmelzbare Zwischenstufe umwandeln (Vorbehandlung, bzw. Oxidation) lassen und anschließend in einem Pyrolyseprozess zum Kohlenstoff carbonisiert (Carbonisierung) werden können. Zum Schluß kann optional noch eine Nachbehandlung (Graphitisierung) zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften durchgeführt werden. Während des gesamten Herstellungsprozesses, bleiben die Fasern gestreckt, um eine Orientierung der atomaren Struktur in Faserrichtung zu erzwingen. Dieses fördert wiederum hohe Festigkeiten und Steigfigkeiten in Faserrichtung. Prozesstemperaturen werden von ca 300 °C (Oxidation) über 1500 °C (Carbonisierung) bis zu 2500 °C (Graphitisierung) erhöht. Die Strukturvielfalt der Fasern ist über die Herstellparameter steuerbare Anisotropie der graphitischen Schichten zu erreichen und bietet somit eine große Bandbreite an Eigenschaften.
Als Ausgangsfaser (Precursor) werden am häufigsten Zellulose, PAN (Polyacrylnitril) oder Pech eingesetzt.
Bei Carbonfaser unterscheidet man zwischen
- HT – hochfest (high tensity)
- IM – intermediate (Intermediate Modulus)
- HM – hochsteif (High Modulus)
- UM – (Ultra Modulus)
- UHM – (Ultra High Modulus)
- UMS – (Ultra Modulus Strength)
- HMS – hochsteif/ hochfest (High Modulus & Strength)
Typische Eigenschaften von Carbonfasern wären
Eigenschaft | Typische HT Faser | Typische UMS Faser |
Dichte [g/cm3] | 1,8 | 1,8 |
Zugfestigkeit [MPa] | 3500 | 4500 |
Zug E-Modul [GPa] | 250 | 4,6 |
Bruchdehnung [%] | 1,5 | 1,1 |
Zur Weiterverarbeitung werden einzelne Fasern (Filamente) zu Garnen zusammengebündelt. Die Bezeichnung „K“ impliziert dabei dass 1000 Filamente zu einem Garn zusammengefasst sind. Somit sind bei 24 K Fasern 24.000 Filamente in einem Garn, bei 48 K sind es 48.000.
CFK Bauteile werden von mehreren Faktoren beeinflusst. Im Wesentlichen spielen Matrix- und Faser-Eigenschaften eine große Rolle, aber auch der Faservolumengehalt (also wieviel Fasern in der Matrix eingearbeitet werden) und die Faserorientierung spielen eine entscheidende Rolle. Weitere Einflussfaktoren sind die Verarbeitungsmethoden bzw. Verarbeitungsparameter.
Eine unidirektionale Verstärkung (UD) ist eine Verstärkung in der alle Fasern in einer Richtung (Orientierung) vorliegen. Bei UD-CFK werden die einzigartigen Fasereigenschaften gebündelt in eine Richtung genutzt. Das heißt dass der Verbund in Faserrichtung die höchsten Festigkeiten besitzt, während in Querrichtung keine Verstärkung der Matrix stattfindet.
Isotropie bezeichnet die Unabhängigkeit einer Eigenschaft von der Richtung, d.h. dass die Eigenschaft in jeder Richtung gleich ist. Bei einem anisotropen Material sind die Eigenschaften richtungsabhängig und variieren somit von Richtung zu Richtung.
Man unterscheidet zwischen Verstärkungsfasern nach Länge zwischen Kurz-, Lang-, oder Endlosfaser. Meistens werden Bündel, sogenannte Rovings, aus Tausenden von Einzelfasern zusammengefasst.
Diese werden weiterhin in Gelegen, Geweben, oder Geflechten weiterverarbeitet. Bei Gelegen unterscheidet man zwischen Endlosfasergelegen, mit definierten Richtungen einzelner Faserbündel, und Kurzfaservlies von willkürlicher Orientierung.
Gewebe oder Gelege können weiterhin trocken oder als sogenannte Prepregs vorliegen. Bei Prepregs sind die Fasern für die Weiterverarbeitung schon mit Harzen vorimprägniert, so dass bei der Herstellung des Bauteils kein Matrixsystem hinzugefügt werden muss.
Kurzfasern bestehen aus Bündeln geschnittener Fasern bis 3 mm Länge. Für manche Anwendungen werden sie durch Mahlen zerkleinert, wodurch man Längen <1 mm erzeugt und die Bündel zerstört. In diesem Fall erhält man einen feinteiligen faserförmigen Füllstoff, welcher oft thermoplastischen Kunststoffen beigemischt wird, um sogenannte „Compounds“ herzustellen. Diese werden weiterhin u.a. durch Spritzgießen weiterverarbeitet. Auch Duroplaste lassen sich mit Kurzfasern füllen und als pressfähige Masse zu Bauteilen Formen. Es ist hier zu beachten, dass der Verstärkungseffekt relativ gering ist.
Langfasern werden u.a. zu Matten verarbeitet, wobei eine dünne Polymerschlichte, dem sogenannten „Binder“, dazu beiträgt die Fasern aneinander zu fixieren. Da die Fasern regellos in alle Richtungen der Mattenebene orientiert sind, spricht man von „Wirrfasermatten“.
Endlosfasern werden als Rovings produziert und auf Spulen gewickelt, sodass sie für die Weiterverarbeitung leicht abgezogen werden können. Bei direkten Herstellungsmethoden werden Rovings mit flüssigem Harz oder Thermoplastschmelze infiltriert und anschließend direkt zu einem Bauteil geformt. Für Rohre erfolgt dies durch Faserwickeln, bei Platten durch Faser- oder Bandablegen. Weitere Verfahren erfolgen über textile Halbzeuge, welche eine größere Flexibilität bei der Bauteilkonstruktion bieten.
Gelege bestehen aus Einzellagen parallel verlaufender Rovings. Diese sind übereinander mit beliebiger Orientierung zu einander stapelbar. Durch die unidirektionale Orientierung der einzelnen Lagen erlaubt ein Gelege einen maximalen Faservolumenanteil im Bauteil, da keinerlei Krümmungen der Rovings vorliegt. Dieses ermöglicht somit maximale Bauteilfestigkeit von Bauteilen.
Gewebe sind Einzellagen aus sich rechtwinklig kreuzenden Rovings, die Kett- und Schussfaden genannt werden. Durch das Kreuzen der Rovings werden diese gekrümmt Gewebe erlauben eine Leichte Verarbeitbarkeit der Endlosfasern, vor allem für gekrümmte Bauteile.
Ein Geflecht besteht aus regelmäßig ineinander verschlungene Rovings mit schräger Orientierung zur Bauteilkante. Diese Halbzeuggeometrie erlaubt eine erhöhte Schubfestigkeit der Bauteile. Geflechte sind u.a. in Bauteilegeometrie herstellbar, und sind somit besonders geeignet für Rohre und dreidimensionale Strukturen.
Bauteile aus CFK sind relativ teuer in der Herstellung, verglichen mit Metallbauteilen. Deshalb werden sie vor allem dort eingesetzt wo ihre Vorteile von großem Nutzen sein kann. Dieses ist beispielsweiser der Fall in der Luft- und Raumfahrt, im Flugzeugbau, teilweise im Automobilbau. Neben solchen Strukturanwendungen, bieten CFK aufgrund ihrer geringen Dichte Vorteile bei Sportgeräten, wie Fahrradrahmen, Tennisschläger oder Angelruten.
Im Folgenden sind die typischen Eigenschaften von Glas- und Carbonfaser im Vergleich dargestellt
Eigenschaft | Glasfaser | Carbonfaser |
Dichte [g/cm3] | 2,5 | 1,8 |
Filamentdurchmesser [µm] | 5-24 | 6-7 |
Zugfestigkeit [GPa] | 1,8 | 5 |
Zug E-Modul [GPa] | 70 | 1000 |
Bruchdehnung [%] | <5 | <2 |
Die Herstellungsverfahren ähneln denen von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK).
Für den Kleinserienbau werden Bauteile im Handlaminier oder im Vakuum-Infusoions-Verfahren hergestellt. Bei größeren Serien kommen Verfahren wie dem Faserwickeln, der Pultrusion, dem Pressen, oder des Resin-Transfer-Mouldings (RTM) zum Einsatz. Verfahren wie dem Automated Fiber Placement (AFP) oder dem Automater Tape Laying (ATL) bieten weiterhin einen großen Grad an Automation für Großbauteile.
Leider ist es bis heute schwierig mit herkömmlichen Methoden ein komplettes Materialrecycling zu ermöglichen. Die Herausforderung liegt vor allem bei der Freilegung der Faser ohne diese zu schädigen, so dass sie wieder in neue Produkte eingesetzt werden kann und dabei eine hohe Bauteilperformance garantieren. Heutige Verfahren beruhen auf drei verschiedene Verwertungstechniken:
Werkstoffliches Recycling: Der Abfallstoff wird aufbereitet, um wieder als Werkstoff verwendet zu werden. Wenn Abfallstoffe von Altprodukten sortenrein anfallen, ist es einfacher möglich, Sekunderwerkstoffe mit definierten Eigenschaften herzustellen, als wenn es sich um Mischungen aus verschiedenen Stoffen handelt. Hier werden Abfallstoffe zunächst zerkleinert, sortiert und gereinigt. Thermoplastische Kunststoffe lassen sich aufschmelzen und über weitere Prozessschritte zu Bauteilen verarbeiten. Da Duroplaste nicht aufgeschmolzen werden können, entsteht bei der Aufbereitung ein faserhaltiger Füllstoff, der in begrenzter Menge einem Neustoff beigemischt werden kann. Endlosfaser werden bei den üblichen Aufbereitungsverfahren zerkleinert, sodass die ursprünglichen Eigenschaften nicht beibehalten werden können.
Chemisches Recycling: Der Abfallstoff wird durch chemische Verfahren in niedermolekulare organische Stoffe umgewandelt. Die niedermolekularen Stoffe stellen chemische Rohprodukte dar, die weiter verwertet werden können. Wenn die Zersetzung des Kunststoffes bei Temperaturen < 450 °C stattfindet, können endlose Carbonfaser rückgewonnen werden. Bei Glasfasern liegen die kritischen Temperaturen höher. Das chemische Recycling ist ein kostenaufwendiges Verfahren, welches in der industriellen Praxis bisher nur selten angewendet wird.
Energetische Verwertung: Der Abfallstoff wird verbrannt und die gewonnene thermische Energie wird als Wärme oder zur Stromerzeugung genutzt. Der Heizwert von Kunststoffen liegt in derselben Größenordnung wie von Erdöl, aus dem sie hergestellt wurden. Bei faserhaltigen Verbundwerkstoffen, wird die Carbonfaser mit verbrannt. Glasfaser dagegen brennen nicht und bleiben als Schlacke zurück
Im Folgenden werden diverse Reparaturverfahren kurz erläutert:
Versiegeln: Bei feinen Kratzern, bearbeiteten Kanten, angerauten Flächen oder freigelegten Fasern kann durch feinen Auftrag von Harz die Oberfläche verschlossen werden, so dass die Faser von Umwelteinflüssen geschützt wird.
Verharzen: Poren, Kratzer, Faserausbrüche und Dellen können mit gefülltem Harz verschlossen werden.
Injektion: Delaminationen und Poren können durch einbohren in die Schadstelle mit einer Spritze den beschädigten Bereich eingespritzt werden. Um das Harz in der Schadstelle besser zu verteilen kann mit Hilfsmittel wie Vakuum gearbeitet werden.
Pflasterlaminat: Die Schadstelle/ Delamination wird mit einem angefertigten Patch abgedeckt Der Patch wird verklebt, oder mit Verbindern befestigt.
Schäftung: Eine Delamination wird bis zur Schafstelle ausgeschliffen und eine Schäftung in das Bauteil unter Berücksichtigung eines Schäftungsverhältnisses eingebracht. Einzelne Lagen werden freigeschliffen um die Bauteilfestigkeit wiederherzustellen.
Ihre Ansprechpartnerin
Katharina Lechler
Aus- und Weiterbildung
Composites United e.V.
Kontaktdaten
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