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Arbeitssicherheit durch Bauteile aus Aramid

Wie aramidfaserverstärkte Kunststoffe Mensch und Maschine vor Schäden bewahren können

Wo an Maschinen mit hoher Drehzahl gearbeitet wird, können abgebrochene Teile die Durchschlagskraft eines Geschosses entwickeln. Hier sind besondere Schutzmaßnahmen gefordert: zum einen für den Menschen, der die Maschine bedient, als auch für die umgebenden Geräte, damit kein weiterer Schaden entsteht. Technische Lösungen sind beispielsweise Maschineneinhausungen aus hochfesten Faserverbundwerkstoffen. Hier bieten sich Composites mit Aramidfasern an - einem Stoff, der sich bei der Herstellung von kugelsicheren Westen aus Kevlar schon seit den 1960er-Jahren bewährt.

Splitterschutz in der Industrie - Wann brauche ich das, und wie setze ich es um?

Was versteht man unter Splitterschutz in der industriellen Produktion?

Splitterschutz bedeutet, dass Maschinenbediener und Geräte geschützt werden vor Beschussmasse wie abgebrochenen Bauteilen oder abgelöstem Material. Durch rotierende Werkzeuge werden Teile extrem beschleunigt, beispielsweise bei Fräsmaschinen. Man kann sowohl vor abgebrochenen Splittern von einem Werkzeug schützen, als auch davor, dass Splitter in eine Umgebung eindringen (Intrusionsschutz).

Wann braucht man Splitterschutz für die Sicherheit von Maschinen?

Der Splitterschutz ist ein besonders wichtiges Thema, wenn Maschinen oder Werkzeuge mit hohen Drehzahlen im Einsatz sind. Hier sind die Bestimmungen aus der DIN EN ISO 13857 Sicherheit von Maschinen bzw. der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG zu beachten. Auch bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten und wachsenden Bearbeitungsgeschwindigkeiten steigt die Gefahr, dass es zu einem Werkzeugbruch oder Schneidenbruch kommt. Um einen Beschuss durch Splitter zu vermeiden, die auch mal hundert Gramm wiegen können und Fluggeschwindigkeiten von 70 m/s erreichen, muss man entsprechende Verkleidungen und Schutzvorrichtungen an der Maschine anbringen.

Wie kann man in der industriellen Maschinenbedienung Splitterschutz umsetzen?

Als zweckdienlich erweisen sich hier seit langem Composites aus Aramidfasern bzw. Kevlar. Diese sind extrem robust, so dass sie schon seit langem im Sicherheitsbereich angewandt werden: So werden Verbundstoffe aus der Aramidfaser als Kevlar klassischerweise für Schutzhelme und kugelsichere Westen verarbeitet (sogenannte Kevlar-Weste). Das ist nicht die einzige Sicherheitsbekleidung, die aus Aramiden hergestellt wird: So ermöglichen Kevlar-Handschuhe Hitzeschutz für die Hände - ein weiterer Vorteil zusätzlich zu der mechanischen Schutzfunktion der Aramidfaser, die auch für Schnittschutz-Handschuhe genutzt wird. Es können zudem verschiedenste andere Teile an Sicherheitsbekleidung hergestellt werden, bis hin zum aus Aramid gefertigten Kevlar-T-Shirt. Auch bei gepanzerten Fahrzeugen wird der Werkstoff verwendet.
Diese Eigenschaften von Aramiden, die im Sicherheitsbereich schon lange erfolgreich angewandt werden, kann man auch im Arbeitsschutz an der Maschine nutzen. Ein Werkstoff, der Menschen gegen Kugeln schützen kann, kann sie ebenso gut gegen geschossartige Splitter von Bauteilen schützen.

Composites mit Aramidfaser - Warum sind sie für Arbeitssicherheit und Splitterschutz geeignet?

Was ist Aramid (Definition)?

Aramide sind Polyamide (PA) und zählen zu den Flüssigkristallpolymeren (FKP). Es gibt hier verschiedene Typen: zum einen Polyphenylenterephthalamid (PPTA, besser bekannt unter dem Markennamen Kevlar und Twaron von DuPont) sowie Polyphenylenisophthalamid (PMPI, im Handel bekannt als Nomex, Teijinconex).
Die Aramidfaser (englisch: aramid fiber) wird für die Herstellung von Faserververbundwerkstoffen normalerweise mit Epoxidharzen kombiniert.
TwaronSRM wikipedia

Aramid-Herstellung: Woraus besteht Aramid?

Aramide werden in der Regel als Fasern hergestellt. Es sind aber auch Aramid-Folien möglich.
Dabei gibt es verschiedene Typen des Werkstoffs: meta-Aramide, para-Aramide und para-Aramid-Copolymere. Aramide entstehen durch Synthese von aromatischen Polyamiden (Polyaramide). Die Fasern können nur durch Lösungen gewonnen werden, da der Schmelzpunkt höher liegt als die Temperatur, bei der sich der Stoff thermisch zersetzt. Als Lösungsmittel für hoch konzentrierte Aramide ist beispielsweise Schwefelsäure geeignet. Die Faser entsteht dann im Nassspinnprozess. Die Aramidfasern werden als Aramid-Gewebe oder Aramid-Roving verarbeitet. Laminate aus Aramiden sind nicht einfach zu verarbeiten, weil die Fasern sehr zäh sind. Um sie zu schneiden, muss man spezielles Werkzeug verwenden, sogenannte Kevlarscheren.

Aramid Eigenschaften: Welche Besonderheiten hat das Aramid-Material?

Aramidfasern bzw. Aramide haben einige sehr vorteilhafte Eigenschaften als Werkstoff für Bauteile:
  • Zerplatzfestigkeit: Dieser Wert, auch als Berstfestigkeit bezeichnet, ist bei Aramiden hoch
  • Zugfestigkeit: Aramidfaserverstärkte Bauteile sind zugfest und zäh, haben hohes Energieaufnahmevermögen - So beträgt ihre Reißlänge das fünffache der Reißlänge von Stahl!
  • Schlagzähigkeit: Die Druckfestigkeit von Aramid Composites liegt wesentlich unter der von CFK. Dies gilt ebenso für die spezifische Festigkeit und der Elastizitätsmodul von Aramid. Jedoch ist ihre Zähigkeit und Schlagzähigkeit ist deutlich höher. Besonders dies ist eine gefragte Eigenschaft für den Einsatz in der Arbeitssicherheit. Es können Bauteile mit spezifischen Eigenschaften entstehen, die von der Funktionalität her als schlagzäher Kunststoff für Splitterschutz fungieren können.
  • Hitzebeständigkeit: Aramide halten Temperaturen von bis zu 370°C aus und sind damit sehr hitzebeständig. Sie schmelzen nicht, sondern beginnen ab ca. 400°C zu verkohlen.
  • Wärmeausdehnungskoeffizient: Aramidfasern haben in Richtung der Faser einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dieser kann mit dem leicht positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten des verwendeten Kunststoffes im Composite so kombiniert werden, dass Bauteile entstehen die unter Hitze in ihrer Form und Größe gleich bleiben.
  • Verschleißfestigkeit: Aramid hat eine gute Schwingungsdämpfung. Gerade in Form von aramidverstärkten Kunststoffen hat der Werkstoff auch gute chemische Beständigkeiten. Dadurch kann er für Bauteile eingesetzt werden, die lange ihre Schutzfunktion in gleichem Maße erhalten müssen.
Jedoch hat der Stoff auch gewisse Nachteile: So nehmen die synthetischen Fasern von Aramid in geringem Maße Feuchtigkeit auf. Die Fasern müssen dann getrocknet werden wenn sie zu feucht geworden sind. Außerdem haben die Fasern eine geringe UV-Beständigkeit, verlieren unter Sonneneinstrahlung an Haltbarkeit und Stabilität. Wenn man hier jedoch Umgebungsbedingungen schaffen kann, damit diese Störfaktoren nicht auftreten, kann man von den herausragenden Eigenschaften der Faser in anderen Bereichen profitieren.

Was versteht man unter Schlagzähigkeit (Definition)?

Die Schlagzähigkeit bestimmt die Fähigkeit eines Materials, Energie aus Schlägen aufzunehmen, ohne dass es bricht. Der Kennwert dafür, ob ein Werkstoff schlagzäh ist, berechnet sich aus der Formel “Schlagarbeit geteilt durch den Querschnitt des Probekörpers” und wird in der Einheit kJ/m² angegeben. Der Wert kann bestimmt werden mit einem Schlaghammer und durch die Messverfahren Kerbschlagbiegeversuch, Izod-Schlagzähigkeit und Charpy-Schlagzähigkeit. Die Begriffe Schlagzähigkeit und Schlagfestigkeit werden in der Regel synonym verwendet.

Welche Bauteile kann man mit Aramid Composites gut herstellen?

Maschineneinhausungen splittersicher gestalten
Aramid-Faserverbundwerkstoffe können gut verwendet werden, um Flächenbauteile bei Maschineneinhausungen zu erstellen. Hier kann man oft auch gut die Hitzebeständigkeit, chemische Beständigkeit [Link], das gute Dämpfungsvermögen und den günstigen Wärmeausdehnungskoeffizient der Aramidfaser und des Kunststoffs im Composite nutzen.
Arbeitssicherheit durch Schlagzähigkeit
Entscheidend für den Splitterschutz ist hier die hohe Schlagzähigkeit. Diese Eigenschaft wird in industriellen Prozessen benötigt, wenn CNC-Fräsen im Einsatz sind und Metalle oder Holz bearbeitet werden. Auch um Arbeitssicherheit in der Werkstatt zu erreichen, können so Schutzvorrichtungen entwickelt werden, zum Beispiel unter Verwendung einer Aramid-Platte. Man erhält die flexiblen und chemisch widerstandsfähigen Eigenschaften von Kunststoff [Link], schlagfest gestaltet durch die haltgebenden Aramidfasern.
Einsatz im Flugzeugbau
Die Eigenschaften von Aramid zum Splitterschutz werden auch im Flugzeugbau verwendet. Man nutzt sie bei den Triebwerksgondeln von Flugzeugen mit Turbinen als Triebwerksverkleidung. Falls es je zu einem Schaden der Triebwerke kommen sollte, müssen herausschießende Teile aus Sicherheitsgründen unbedingt in der Triebwerkseinhausung verbleiben.
Wie andere zähe Werkstoffe sind Aramidfaserverstärkte Kunststoffe geeignet für Teile, die leicht sind und stark durch Schläge beansprucht werden. So schützt es die Vorderkanten von Flugzeugleitwerken gut gegen Hagel oder verstärkt Kajaks im Wassersport.
Bootsbau, Brandschutz, Sandwichplatten
Im Bootsbau verwendet man Aramid für Segel von Segelbooten oder für Reepschnüre, weil sie eine gute Zähigkeit und Zugfestigkeit haben und trotzdem leicht sind.
Auch wird bei Bauteilen Meta-Aramidfasern für den Brandschutz verwendet. Zudem verwendet man den Stoff bei einer Aramid-Wabenplatte in CFK-Sandwichplatten als Wabenkern.
Fibretech Aramidverstaerkung

Aramid vs. Kevlar® - Wie unterscheiden sich die Begriffe?

Name des Werkstoffs vs. geschützter Markenname
Während Aramid der offizielle Begriff für eine Gruppe von Werkstoffen ist, bezeichnet Kevlar® eine eingetragene, rechtlich geschützte Marke der Firma DuPont. Dabei wird der Begriff “Kevlar” jedoch für ein Material der Firma verwendet. Die Firma DuPont hat sich bereits seit den 1950er-Jahren große Verdienste in der Erforschung erworben, insbesondere wie man Aramide industriell herstellen und gewerblich nutzen kann. In diesem Zuge sicherte sich DuPohnt diverse Markenrechte. Die Firma entdeckte 1965 Aromatisches Polyamid (Aramid) und entwickelte es weiter zur Marktreife unter dem Markennamen Kevlar®. Besonders für kugelsichere Westen ist der Werkstoff bekannt.
Andere bekannte Markennamen für Aramide sind Twaron und Nomex.
Kevlar-Eigenschaften - welche Merkmale haben Kevlar-Fasern?
Hochmodulfasern wie Kevlar 49® werden für Leichtbauteile eingesetzt, die Schlag- und Stoßfestigkeit haben müssen bei geringem Verschleiß - beispielsweise im Unterbodenschutz bei Fahrzeugen oder im Modellbau, Flugzeugbau etc. Sogenannte Niedermodulfasern wie Kevlar® 29 werden dagegen für ballistische Zwecke wie kugelsichere Westen oder Panzerungen eingesetzt.
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Wie sind die Eigenschaften von Aramid vs. Carbon im Vergleich?

Carbon kann ebenfalls für Sicherheitsaspekte in der Industrie eingesetzt werden. So hat sich der Werkstoff CFK im Fahrzeugbau einen guten Ruf als Material für Auto-Karosserien erworben: CFK ist extrem crashsicher. So hat CFK im Crashtest gezeigt, dass es keine Knautschzonen bildet und stattdessen Energie durch Rissbildung und Zersplitterung abbaut. Damit entspricht eine CFK-Karosserie höchsten Sicherheitsstandards im Vergleich zu Stahlkarosserie. Zudem sorgt die hohe Schwingungsdämpfung von CFK dafür, dass die Sicherheitseigenschaften des Werkstoffs sehr lange erhalten bleiben.
Beide Werkstoffe (Karbon, Aramid) haben eine sehr geringe Wärmeausdehnung, die in Kombination mit einer Kunststoffmatrix beispielsweise aus Epoxidharz gegen null gedrückt werden kann. Auch sind beide Stoffe sehr leicht. Obwohl beide Stoffe sehr fest sind, können Kohlenstofffasern noch deutlich fester gestaltet werden als Aramidfasern. Dafür ist Carbon nicht so zäh wie Aramid.
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