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Was ist Composite und wo ist der Einsatz sinnvoll?

Der Trend zum Leichtbau in Serie hat bereits in fast allen Industriebereichen Einzug gefunden. Wenn es auf Leichtigkeit, Dynamik und Steifigkeit ankommt, sind Faserverbundwerkstoffe die richtige Wahl. Und das kann in den verschiedensten Branchen sein: u.a. Luft- und Raumfahrt, Automotive, Maschinenbau, Medizintechnik und Sportgeräte. Aber warum?

Ganz einfach: Auf Grund ihrer Vielseitigkeit, die es erlaubt, dass bei Composites nicht nur an der Matrix, sondern auch an den Verstärkungsfasern und Füllstoffen gedreht werden kann. Damit ist es einfacher die gewünschten Eigenschaften genau zu erreichen. Composites haben zum Beispiel in der Medizintechnik den Vorteil der Röntgentransparenz und Heißdampf Sterilisierbarkeit. In der Automatisierungstechnik sind es das geringere Gewicht und die Dämpfungseigenschaften.

 

ERIKS Mitarbeiter bei der Herstellung

Was ist ein faserverstärkter Kunststoff?

Ein faserverstärkter Kunststoff bzw. Composite ist eine Kombination aus mindestens zwei verschiedenen Materialien. Einem Fasermaterial und einem Matrix-System. Die am häufigsten verwendeten Fasern sind:

  • Carbonfaser
  • Glasfaser
  • Aramidfaser

Immer mehr an Bedeutung gewinnen Naturfasern, wie z. B. Leinen, Jute und Flachs. Mittels eines Matrix-Systems wird das Fasermaterial, das häufig als ein 2-Komponenten-System mit Harz und Härter eingesetzt wird, imprägniert. Diese Varianz an Fasertypen und Matrix-Systemen in Kombination mit dem richtigen Fertigungsverfahren ergibt den maximalen Vorteil von Composite gegenüber aller anderen Materialien.

 

Für welche Industriebereiche und Anwendungen eignen sich Composites?

  • Luftfahrt: Flugzeugkomponenten (Fliegende Strukturteile, Flugzeug Rümpfe, Verkleidungsteile…)
  • Automotive: z. B. Fahrzeugkomponenten, Karosserieteile, Motorsport Monocoque, Spoiler
  • Bau/ Architektur: Komplette Brücken, Industrieanlagen, Brückensanierung, Beton Bewehrungen
  • Bahn: Infrastruktur, Verkleidungsteile am Zug
  • Sportgeräte: Fahrräder, Schuhe, Ski, Hochleistungssportgeräte
  • Freizeit: Angelruten, Zeltgestänge
  • Maschinenbau: Träger, Verbindungselemente, Verkleidungen, Schutzsysteme
  • Medizintechnik: Messtaster, Verlängerungen, Zielgeräte, Röntgenliegen

Welche Arten von Materialien gibt es für welchen Einsatzzweck?

Insgesamt gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Fasertypen:

  • Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK)
  • Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK)
  • Aramidfaserverstärkter Kunststoff (AFK)
  • Naturfaserverstärkter Kunststoff (NFK)

Nachfolgend beschränken wir uns auf die Carbonfaser (CFK), die sich durch bis zu 8 verschiedene Fasertypen auszeichnet:

  • HT – hochfest (High Tenacity)
  • UHT – sehr hochfest (Ultra High Tenacity)
  • LM – Low Modulus
  • IM – intermediate (Intermediate Modulus)
  • HM – hochsteif (High Modulus)
  • UM – (Ultra Modulus)
  • UHM – (Ultra High Modulus)
  • UMS – (Ultra Modulus Strength)

Damit die Fasern weiterverarbeitet werden können, werden sie zu Filamentgarnen zusammengefasst. Übliche Typen sind:

  • 67 tex (1 K)
  • 200 tex (3 K)
  • 400 tex (6 K)
  • 800 tex (12 K)
  • 1600 tex (24 K)

Hierbei steht die Angabe 200 tex für ein Gewicht von (200 g) / (1000 m) und 1K dafür, dass 1000 Filamente zu einem Garn zusammengefasst werden. Sogenannte Rovings (parallel angeordnete Filamente/ Endlosfasern), die eine Filamentanzahl von mehr als 24 K, wie z. B. 50 K, 100 K oder 400 K besitzen, werden als „Heavy Tows“ bezeichnet.

Die gröberen Garne finden als Verstärkungsfasern für Flächengebilde ihren Einsatz. Sogenannte Prepregs, mit Harz vorimprägnierte UD-Gelege oder Gewebe, werden im Flugzeugbau mit geringem oder mittleren Flächengewicht verwendet. Ein multiaxiales Flächengebilde ist das im Automobilbau gängigste verwendete Produkt.

Aus den Filamentgarnen werden flächige Faserstrukturen hergestellt. Hierzu gehören z. B.: Gewebe, Multiaxial Gelege, UD-Tape und Fließe in unterschiedlichen Grammaturen.

Die Formstoffe besitzen mechanische Eigenschaften, wie z.B. Zug-, Biegefestigkeit, Schlagzähigkeit und die Fähigkeit zur Arbeitsaufnahme. Diese Eigenschaften sind in erster Linie durch die Eigenschaften der Fasern bedingt. Sowohl der Fasergehalt als auch die Orientierung der Fasern können durch die Wahl der Fasererzeugnisse beeinflusst werden.

Solch ein Gewebe oder UD-Gelege allein ist jedoch noch kein Composite Material. Dazu wird noch ein Matrix- bzw. Harz System benötigt. Hierbei hat das Matrix-System als Bindemittel mehrere Aufgaben. Einerseits soll es die Fasern stützen und andererseits dafür sorgen, dass sich die Kräfte, die auf das Formteil einwirken, auf die Fasern verteilen. Daher ist es notwendig, dass die Haftung des Harzes auf die Fasern ausreichend ist.

Im Wesentlichen wirkt sich das Matrix-System auf folgende Eigenschaften aus:

  • Chemikalienfestigkeit
  • Alterungsbeständigkeit
  • Kratzfestigkeit
  • Elektrische Eigenschaften

Weitere Faktoren, wie Zug- und Druckfestigkeit sind abhängig von dem Mengenverhältnis der Komponenten Faser und Matrix-System, dem Faservolumenanteil.    

Bei den Matrix-Systemen wird zwischen Duroplastischen und Thermoplastischen Systemen unterschieden. 

Duroplast-Matrix-Systeme

Thermoplast-Matrix-Systeme

Duroplast-Matrix-Systeme

UP ungesättigte Polyesterharze

Thermoplast-Matrix-Systeme

PP Polypropylen

Duroplast-Matrix-Systeme

VE Vinylesterharze

Thermoplast-Matrix-Systeme

PA Polyamid

Duroplast-Matrix-Systeme

EP Epoxidharze

Thermoplast-Matrix-Systeme

PEEK Polyetheretherketon

Duroplast-Matrix-Systeme

PF Phenolharz

Thermoplast-Matrix-Systeme

PPS Polyphenylensulfid

Aus all den Kombinationsmöglichkeiten werden die Einzelkomponenten Faser und Matrix ausgewählt und zu einem Composite Bauteil zusammengefügt.

Für welche Aufgaben eignen sich Composites nicht?

Grundsätzlich gibt es für nahezu jede Aufgabe eine passende Composite Lösung. Wichtig ist die ganzheitliche Betrachtung der Anwendung und die nachfolgende Entscheidung, ob eine Composite Lösung eine für das Unternehmen wirtschaftlich sinnvolle Lösung ist.

Um herauszufinden, ob eine Composite Lösung Ihren Anforderungen gerecht wird, führen unsere Spezialisten eine Prüfung durch. Auf Grund unserer langjährigen Erfahrung in der Bauteilentwicklung, finden wir für Sie die richtige Lösung. Sollte sich hierbei herausstellen, dass eine Composite Lösung nicht die richtige Wahl ist, haben wir noch weitere Werkstoffe für Sie in unserem Portfolio.

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