Faserverbundwerkstoff
Ein Faserverbundwerkstoff besteht aus einem Matrixwerkstoff, wie beispielsweise Kunststoff, Epoxidharz oder auch Beton, und den darin eingebetteten Fasern. Um die Stoffeigenschaften der Fasern nutzen zu können müssen diese in die Matrix eingebettet werden.
Aufgaben des Matrixwerkstoffes sind dabei die Übertragung und Verteilung der auftretenden Kräfte, die Fixierung der Fasern und deren Abschirmung gegen eventuell aggressive Umgebungsmedien. Es werden vor allem die Eigenschaften der Fasern in Längsrichtung genutzt. Moderne Industriefasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern besitzen sehr gute mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit). Es kommen jedoch je nach Anwendung auch Naturfasern zum Einsatz.
Ist der Faserverbundwerkstoff schichtweise (beispielsweise aus mehreren Fasermatten übereinander) aufgebaut, so wird der Verbund als Laminat bezeichnet.
Vorteile dieser Art des Werkstoffs sind die hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht und die einfache Verarbeitung. Daher wird er häufig im Leichtbau verwendet.
Die Fasern können je nach Belastung des Bauteils ausgerichtet werden. Somit ist es möglich einen Werkstoff zu konstruieren, der genau auf den Anwendungfall ausgerichtet ist. Die Fasern sind dabei ähnlich wie bei Pflanzen angeordnet. An höherbelasteten Stellen werden mehr Fasern genau in Kraftrichtung angeordnet.
Als Verarbeitungsform kann bei Kurzfasern beispielsweise Spritzguss als kostengünstiges Verfahren angewendet werden. Die kurzen Faserschnipsel werden dabei zusammen mit dem Matrixwerkstoff in die Form gespritzt. Es ergibt sich eine mäßige isotrope Festigkeitssteigerung.
Längere Fasern werden beispielsweise gewickelt. Bei diesem Verfahren werden Endlosfaserstränge, so genannte Rovings, mit dem Matrixwerkstoff getränkt und dann um eine Form gewickelt. So werden beispielsweise Silos aus Kunststoff hergestellt.
Neben einzelnen Fasern werden meistens Gewebe oder Gelege (Technik) aus den Verstärkungsfasern verwendet. So können bestimmte Richtungen des Werkstoffs besonders verstärkt werden, in dem die Anzahl und Ausrichtung der Fasern in verschiedenen Gewebe/Gelegetypen variiert wird.
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Herstellungsverfahren
Handlegeverfahren (Laminieren)
Die Faserhalbzeuge (Gewebe/Gelege/Fasermatten) werden von Hand auf eine Form drapiert und mit Harz getränkt. Anschließend werden sie mit Hilfe einer Rolle durch Anpressen entlüftet. Dadurch soll nicht nur die im Laminataufbau vorhandendene Luft, sondern auch überschüssiges Harz entfernt werden. Dieses Vorgehen wird so oft wiederholt bis die gewünschte Schichtstärke vorhanden ist. Man spricht auch von einem "Nass in Nass" Verfahren. Nach dem Aufbringen aller Schichten härtet das Bauteil durch die chemische Reaktion des Harzes mit dem Härter aus. Das Verfahren stellt keine großen Ansprüche an die Werkzeuge und ist auch für sehr große Bauteile geeignet. Es wird oft im Serienbau eingesetzt, wo zwar leichte Bauteile erwünscht sind aber auch kostengünstig produziert werden soll.
Vorteile sind geringer Werkzeug- und Ausstattungsaufwand, dem gegenüber stehen die geringere Bauteilqualität (geringerer Fasergehalt) und der hohe manuelle Aufwand, der geschulte Laminierer voraussetzt. Die offene Verarbeitung des Harzes stellt hohe Ansprüche an den Arbeitsschutz.
Handauflegen mit Vakuumpressen
Nach dem Einbringen aller Verstärkungs- und Sandwichmaterialen wird die Form mit einer Trennfolie, einem Absaugvlies und einer Vakuumfolie abgedeckt. Zwischen der Vakuumfolie und der Form wird ein Unterdruck erzeugt. Dieser bewirkt, dass der Verbund zusammengepresst wird. Eventuell noch enthaltene Luft wird abgesaugt. Überschüssiges Harz wird vom Absaugvlies aufgenommen. So kann gegenüber dem Handauflegeverfahren eine noch höhere Bauteilqualität erzielt werden.
Faserwickeln
Das Faserwickelverfahren ist eine Technik zum Ablegen der Fasern auf der Form. Es wird mit einem Harztränkungsverfahren gekoppelt. Mit diesem Verfahren können die Fasern sehr straff und eng aneinanderliegend mit einer hohen Maßgenauigkeit positioniert werden.
Zum Wickeln der Fasern ist ein Körper notwendig, der dem Bauteil seine spätere Gestalt gibt. Diesen Körper nennt man wie beim Urformen üblich Kern. Auch beim Faserwickeln unterscheidet man zwischen verlorenen und wiederverwendbaren Kernen. Bei den verlorenen Kernen besteht die Möglichkeit ihn beispielsweise aus Sandwichkernmaterial zu fertigen, dass im Bauteil verbleibt (beispielsweise Fahrradrahmen). Soll ein Hohlkörper gefertigt werden, so können Schaumstoffkerne beispielsweise chemisch aufgelöst werden. Wiederverwendbare Kerne sind meist aus Aluminium gefertigt. Die Entformbarkeit schränkt die Gestaltungsfreiheit vieler Bauteile ein.
Beispiele sind fasergewickelte Leuchttürme, bei denen die Fasern wie auf einer Nähgarnrolle auf den Kern aufgewickelt werden. Die Anzahl der Faserschichten wird dem Biegemoment des Leuchtturms angepass.
Als Tränkverfahren sind üblich:
- Die Endlosfaser beziehungsweise der Strang wird zunächst durch ein Tränkbad geführt, in dem sie mit dem Matrixwerkstoff benetzt wird und dann um eine Form gewickelt.
- Es werden Prepreg-Faserbahnen aufgewickelt, die anschließend entsprechend der Preprepreg-Technologie (siehe unten) ausgehärtet werden.
- Es werden ungetränkte Fasern gewickelt, die danach mit einem Harzinjektionsverfahren (siehe unten) getränkt werden.
Prepreg-Technologie
Mit Matrixwerkstoff vorimprägnierte (also bereits getränkte) Fasermatten werden auf die Form aufgelegt. Das Harz ist dabei nicht mehr flüssig, sondern hat eine leicht klebrige feste Konsistenz. Der Verbund wird anschließend mittels Vakuumsack entlüftet und danach, häufig im Autoklav, unter Druck und Hitze ausgehärtet.
Das Prepregverfahren ist aufgrund der notwendigen Betriebsaustattung (Kühlanlagen, Autoklav) und der anspruchsvollen Prozessführung (Temperaturmanagement) eines der teuersten Herstellungsverfahren. Es ermöglicht neben dem Faserwickeln und den Injektions- und Infusionsverfahren jedoch die höchsten Bauteilqualitäten.
Das Verfahren findet vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport, sowie für Leistungssportgeräte Anwendung.
Harzinjektion
Auch RTM-Verfahren (für Resin Transfer Moulding)
Die trockenen Fasern werden in Form eingelegt, die anschließend mit einer Gegenform verschlossen wird. Anschließend wird diese Form evakuiert und das flüssige Harz mit Druck injiziert.
Durch Wärme wird das Harz ausgehärtet.
Die Faserorientierung kann dabei durch Näh- und Stickverfahren im Vorformling durch gezieltes Ablegen (engl.: Fibre-Placement) den Lastfällen angepasst werden.
Vakuum-Infusion
thumb|Vakuumaufbau thumb|Fertiges Bauteil
Bei diesem Verfahren wird das trockene Fasermaterial (Rovings, Matten, Gelege, Gewebe...) auf eine mit Trennmittel beschichtete Form drapiert. Darüber wird ein Trenngewebe sowie ein Verteilermedium gelegt, das das gleichmäßige Fließen des Harzes erleichtern soll. Mittels Vakuum-Abdichtband wird die Folie gegen die Form abgedichtet und das Bauteil anschließend mit Hilfe einer Vakuumpumpe (meist Drehschieberpumpen) evakuiert. Der Luftdruck presst die eingelegten Teile zusammen und fixiert sie. Das temperierte flüssige Harz wird mittels des atmosphährischen Drucks in das Fasermaterial gedrückt. Um zu verhindern, dass überschüssiges Harz nach dem Passieren der Fasern in die Vakuumpumpe gerät, wird vor der Pumpe eine Harzbremse und/oder Harzfalle montiert. Nachdem die Fasern vollständig getränkt sind, wird die Harzzufuhr unterbunden und der getränkte FVK kann nach dem Aushärten entformt werden. Die Aushärtezeiten sind abhängig vom gewählten Matrix-Werkstoff (Harz) und der Temperatur.
Vorteil dieses Verfahrens ist die gleichmäßige und fast blasenfreie Tränkung der Fasern und somit die hohe Qualität der produzierten Bauteile sowie die Reproduzierbarkeit.
Es werden heute schon Bauteile wie z.B. Rotorblätter für Windenergieanlagen mit einer Länge von mehr als 50 Metern mit diesem Verfahren gefertigt.
Weiterentwicklungen zum Vakuuminfusionsverfahren sind das Differential Pressure Resin Transfer Moulding (DP-RTM) und Single Line Injection-Verfahren (SLI).
Faserspritzen
Die Fasern werden in kleinen Stücken mit dem Matrixwerkstoff in eine Form gespritzt.
Faserbeton
- mit Glasfasern armierter Beton
(..)
Siehe auch
- Single Line Injection (SLI)
- Faserzement
- Glasfaserverstärkter Kunststoff (GfK),
- Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CfK)
Weblinks
- www.magic-scooter.de/... Private Webseite zu Faserverbundwerkstoffen
- Fachverband Faserbeton