Wissenswertes über Faserverbundwerkstoffe
Auf
dieser Seite finden Sie einige nützliche Hinweise zur Verarbeitung von
Faserverbundwerkstoffen und den sicheren Umgang mit den damit in
Verbindung stehenden Materialien. Dieser kleine Ratgeber ist noch im
Aufbau und wird von Zeit zu Zeit erweitert.
Wozu sollen FWV verwendet werden und was sind die Vorteile?
Faserverbundwerkstoffe
besitzen den Vorteil, dass eine Dimensionierung des Bauteils derart
möglich ist, die Ausrichtung der stabilisierenden Fasern
belastungsorientiert, also entlang der Kraftlinien, eingebracht werden
können. Durch die Kombination verschiedener Fasern und Aufbauten der
Laminate kann ebenfalls eine anwendungsorientierte Konstruktion
erstellt werden. Das Flächengewicht ist im Verhältnis zur erreichbaren
Festigkeit der Bauteile enorm gering. Ebenfalls ist das
Elastizitätsmodul in Bezug auf die Masse der Bauteile bei FVW
äusserst günstig, so dass im Leichtbau annähernd überall FVW zum
Einsatz kommt. Weitere Vorteile sind die geringe Wärmeausdehnung, die
Korrosionsbeständigkeit, das hohe Dämpfungsvermögen, die
Schlagfestigkeit und die äusserst flexible Formgebung.
Wie werden FVW hergestellt?
Die
Herstellung von FVW erfolgt durch Kombination von Fasermaterial und
einer bindenden Matrix. Ein beispielhafter Aufbau wäre ein
Kohlefasergewebe, was je nach Anwendungsfall in mehreren Lagen
aufgebaut wird. Dabei sind die Fasern unter Anwendung verschiedener
Methoden mit einem Harz z.B. Epoxydharz zu tränken. Entsprechende
Vorbehandlungen (Schlichte) unterstützen den Tränkungsvorgang. Die
Methoden der Laminaterstellung werden im entsprechenden Kapitel
beschrieben.
Kohlefaser (CFK)
Kohlefaser
besitzt die höchste Zugfestigkeit bezogen auf das Eigengewicht.
Dadurch eignet sie sich besonders für den Leichtbau. Zudem ist das
E-Modul ebenfalls sehr hoch, so dass äusserst steife und biegefeste
Bauteile entstehen. Kohlefasern bestehen aus reinem Kohlenstoff,
wodurch auch die Bezeichnung Carbon zu begründen ist. Kohlefasern in
Geweben, Gelegen oder als Rovings bestehen aus einer Vielzahl einzelner
hauchdünner Filamente mit einem Durchmesser von ca. 5 - 8 µm. Um die
Kohlefasern zu charakterisieren wird die Garnfeinheit des Rovings
(einzelner Faden) festgelegt und in Gramm/1000 m definiert. Ein Roving
mit 200 tex besitzt z.B. 3000 Filamente. Beim Herstellungsverfahren der
Fasern wird danach unterschieden welche Prozesstemperaturen angewand
werdent. Je höher die Prozesstemperatur ist, desto reiner ist die
Filamentstruktur, was wiederum zu einer höheren Zugfestigkeit der
Fasern führt. Hier wird unterschieden in HT (High Tenacity), IM
(Intermediate Modus), HM (High Modus) und UHM (Ultra High Modus).
Glasfaser (GFK)
Glasfasern
besitzen eine geringere Zugfestigkeit als Kohlefasern, wobei deren
E-Modul ebenfalls deutlich niedriger liegt. Hierdurch entstehen
äusserst flexible und biegsame Laminate. Die Herstellung von Glasfasern
ist gegenüber Kohlefasern kostengünstiger, wodurch es der meist
eingesetzte Verbundwerkstoff ist. Glasfasern werden in einer
Glasschmelze hergestellt, indem dass viskose, hocherhitze Glas durch
eine gelochte Matrize gepresst wird. Die hinter der Matrize
austretenden heissen Glasfäden werden mechanisch gestreckt und auf
einen Durchmesser von ca. 5 - 25 µm ausgedünnt. Anschließend erfolgt
die Abkühlung, so dass feste Glasfilamente entstehen. Die
Weiterverarbeitung der Filamente erfolgt in Form von Rovings,
Faserabschnitten, Matten, Geweben und Gelegen. Glasfasern können je
nach Zusammensetzung mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt
werden. Je nach Einsatzwerkstoff wird die Wiederstandsfähigkeit gegen
Chemikalien reguliert oder die Festigkeit beeinflusst.
Basaltfaser (BFK)
Basaltfaser
ist im Vergleich zu Glasfaser geringfügig dichter (also etwa
gleich schwer) hat jedoch mindestens eine um 15 % höhere Zugfestigkeit
und ein höheres E-Modul. Desweiteren sind Basaltfasern beständig gegen
UV-Strahlung und Korrosion. Sie gelten als ungiftig und nicht
krebserregend. Basaltfasern besitzen eine hohe thermische
Standfestigkeit, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und gute mechanische
und thermische Dämmeigenschaften. Darüber hinaus sind sie beständig
gegen Schimmelpilze und Mikroorganismen. Die Verwendung von
Basaltfasern in Faserverbundwerkstoffen ist im Vergleich zu Glasfasern
und Kohlefasern noch relativ wenig verbreitet. Gerade im Hinblick auf
die Herstellungskosten und die technischen Eigenschaften des
Werkstoffes, sollte der Einsatz von Basaltfasern forciert werden.
Basaltfasern werden aus einer Zusammfassung von endlosen Mikrofasern
hergestellt. Die Mikrofasern mit einem Durchmesser von ca. 9 - 12 µm
entstehen durch Verspinnen des sich in der Schmelze befindlichen
Basalts. Basalt ist ein organisches Mineral vulkanischer Herkunft. Die
Weiterverarbeitung der Mikrofasern erfolgt ähnlich wie bei den anderen
Verbundmaterialien zu Garnen, Rovings, Geweben und Gelegen. Auch hier
wird die Maßheinheit tex verwendet. Durch die mechanischen
Eigenschaften von BFK kann eine Lücke zwischen GFK und CFK mit einem
relativ kostengünstigen Material geschlossen werden. Je nach
verwendeter Matrix entstehen ökologisch wertvolle Bauteile. Auch die
Kombination mit Glasfasern und Kohlefasern kann je nach
Aufgabenstellung zum gewünschten FVW führen.
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