Was sind Composite-Werkstoffe und wo ist deren Einsatz sinnvoll?
Der Trend zum Leichtbau ist mittlerweile in nahezu allen Industriebereichen angekommen, auch in der Schweiz. Überall dort, wo geringes Gewicht, Dynamik und Steifigkeit gefragt sind, sind Faserverbundwerkstoffe eine passende Wahl. Dies gilt beispielsweise für die Luft- und Raumfahrt, den Maschinenbau, die Medizintechnik, die chemische Industrie, die Bahn (z. B. SBB), den Automobilbau sowie für Sport- und Freizeitgeräte. Doch warum sind Composites so vielseitig einsetzbar?
Der Grund dafür ist die hohe Flexibilität dieser Werkstoffe. Bei Composites können nicht nur die Matrix, sondern auch die Verstärkungsfasern und Füllstoffe gezielt gewählt und angepasst werden, um die geforderten Eigenschaften exakt zu erreichen. In der Medizintechnik bieten Composites beispielsweise Röntgentransparenz und Heissdampfstabilität. In der Automatisierungstechnik zählen das geringe Gewicht und die guten Dämpfungseigenschaften zu den Vorteilen – relevant auch für Schweizer Unternehmen aus den Bereichen Maschinenbau oder Präzisionstechnologie.
Wir sind stolz darauf, seit dem 09.01.2023 Mitglied von Composites United zu sein.
Was ist ein faserverstärkter Kunststoff?
Ein faserverstärkter Kunststoff, auch Composite genannt, besteht aus mindestens zwei verschiedenen Materialien: einem Fasermaterial und einem Matrix-System. Gängige Fasern sind:
Carbonfaser
Glasfaser
Aramidfaser
Naturfasern wie Leinen, Jute oder Flachs gewinnen zunehmend an Bedeutung. Das Fasermaterial wird über ein Matrix-System – häufig ein 2-Komponenten-System aus Harz und Härter – imprägniert. Diese Vielfalt an Fasertypen, Matrix-Systemen und Fertigungsverfahren macht die Vorteile von Composites gegenüber anderen Materialien aus.
Für welche Industriebereiche und Anwendungen eignen sich Composites besonders?
Luftfahrt: Flugzeugkomponenten wie Rümpfe oder Verkleidungsteile (z. B. bei der Pilatus Aircraft AG)
Automobil: Fahrzeugkomponenten, Carrosserieteile, Motorsport-Monocoques, Spoiler
Bau und Architektur: Brücken, Fassaden, Infrastrukturelemente – auch in der Schweiz, etwa für den Brückenbau in Bergregionen
Bahn: Infrastrukturlösungen und Verkleidungsteile bei SBB oder regionalen Bahnen
Sportgeräte: Velo-Rahmen, Schuhe, Ski, Ausrüstung für Hochleistungssport
Freizeit: Angelruten, Zeltgestänge
Maschinenbau: Träger, Verbindungselemente, Abdeckungen, Schutzsysteme – essenziell für Schweizer Präzisionsmaschinenhersteller
Medizintechnik: Messtaster, Verlängerungen, Zielgeräte, Röntgenliegen – häufig eingesetzt in Schweizer Spitälern und Labors
Materialarten und ihre spezifischen Einsatzgebiete
Es gibt verschiedene Fasertypen:
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK)
Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK)
Aramidfaserverstärkter Kunststoff (AFK)
Naturfaserverstärkter Kunststoff (NFK)
Im Folgenden liegt der Fokus auf der Carbonfaser (CFK), die bis zu acht Faservarianten bietet:
HT – hochfest (High Tenacity)
UHT – sehr hochfest (Ultra High Tenacity)
LM – Low Modulus
IM – Intermediate Modulus
HM – hochsteif (High Modulus)
UM – Ultra Modulus
UHM – Ultra High Modulus
UMS – Ultra Modulus Strength
Für die Weiterverarbeitung werden die Fasern zu Filamentgarnen gebündelt, üblich sind z. B.:
67 tex (1 K)
200 tex (3 K)
400 tex (6 K)
800 tex (12 K)
1600 tex (24 K)
Die Angabe 200 tex bedeutet, dass das Garn ein Gewicht von 200 g pro 1000 m aufweist; 1 K steht für 1000 Filamente pro Garn. Rovings (parallel angeordnete Endlosfasern) mit über 24 K (z.B. 50 K, 100 K, 400 K) werden als "Heavy Tows" bezeichnet.
Grobe Garne dienen als Verstärkungsfasern für Flächengebilde. Prepregs (Harz-imprägnierte UD-Gelege oder -Gewebe) werden in der Luftfahrt mit geringem oder mittlerem Flächengewicht verwendet. Multiaxiale Flächengebilde sind im Automobilbau am verbreitetsten.
Aus den Filamentgarnen entstehen flächige Faserstrukturen wie Gewebe, Multiaxial-Gelege, UD-Tape sowie Vliese in unterschiedlichen Grammaturen.
Die fertigen Formstoffe verfügen über mechanische Eigenschaften wie Zug- und Biegefestigkeit, Schlagzähigkeit sowie die Fähigkeit zur Energieaufnahme. Diese Merkmale werden vor allem durch die Fasern geprägt. Sowohl der Fasergehalt als auch die Faserorientierung lassen sich durch gezielte Auswahl der Faserprodukte steuern.
Ein Gewebe oder UD-Gelege allein ist jedoch noch kein Composite. Dafür braucht es zusätzlich ein Matrix- beziehungsweise Harzsystem. Die Matrix hat als Bindemittel mehrere Aufgaben: Sie stützt die Fasern und verteilt die auftretenden Kräfte effizient. Daher ist eine gute Haftung des Harzes auf der Faser wesentlich.
Die Matrix beeinflusst im Wesentlichen folgende Eigenschaften:
Chemikalienbeständigkeit
Alterungsbeständigkeit
Kratzfestigkeit
Elektrische Eigenschaften
Weitere Faktoren wie Zug- und Druckfestigkeit hängen vom Verhältnis der Komponenten Faser und Matrix sowie vom Faservolumenanteil ab.
Bei Matrix-Systemen wird zwischen duroplastischen und thermoplastischen Varianten unterschieden:
Duroplast-Matrix-Systeme | Thermoplast-Matrix-Systeme |
|---|---|
UP ungesättigte Polyesterharze | PP Polypropylen |
VE Vinylesterharze | PA Polyamid |
EP Epoxidharze | PEEK Polyetheretherketon |
PF Phenolharz | PPS Polyphenylensulfid |
Faser und Matrix werden aus den vielen Kombinationsmöglichkeiten passend zur Anwendung ausgewählt und zu einem Composite-Bauteil zusammengeführt.
Für welche Aufgaben sind Composites weniger geeignet?
Grundsätzlich lässt sich für nahezu jede Anforderung eine geeignete Composite-Lösung finden. Entscheidend ist die ganzheitliche Betrachtung der Anwendung und die wirtschaftliche Sinnhaftigkeit für das Unternehmen. Unsere Spezialistinnen und Spezialisten bei ERIKS prüfen deshalb, ob eine Composite-Lösung für Ihre Anforderungen geeignet ist – häufig auch im Austausch mit Schweizer Unternehmen und Institutionen. Falls sich ein Composite nicht als optimale Wahl erweist, bietet ERIKS alternativ weitere Werkstoffe aus einem breiten Portfolio an.
Quellen: