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Freie Formgebung im Industriedesign dank Faserverbundwerkstoffen

Vielseitig, formbar, konfigurierbar

Faserverbundkunststoffe gelten als Werkstoff mit großem Zukunftspotenzial, weil sie sehr leicht sind bei gleichzeitiger hoher Festigkeit und Steifigkeit. Das passt gut zu den heutigen gesellschaftlichen Herausforderungen der Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung. Aber auch sonst sind die Stoffe in bestimmten Anwendungsfällen schon längst Standard: Etwa im Bau von wettkampftauglichen Segelbooten, in der Luft- und Raumfahrt bei „allem was fliegt,“ oder bei den Fahrrädern der Tour de France, wo jedes gesparte Gramm zu einer besseren Fahrzeit führen kann. Aber welche Vorteile bieten diese Werkstoffe für Ihr Unternehmen?
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Vorteile:
Warum sind Faserverbundwerkstoffe für die Formgebung im Industrial Design und Engineering hervorragend geeignet?

Faserverbundwerkstoffe bieten für die Verwendung im Industriedesign viele Vorteile, unter anderem eine sehr flexible Formgebung. Was in der Formgebung von Blechen und Bändern beispielsweise durch Biegen erreicht wird, gelingt durch die flexiblen Eigenschaften der Faserverbundstoffe oft deutlich passgenauer.
Das Ausgangsmaterial eines Bauteils aus Faserverbundstoff ist stets ein Faserhalbzeug. Hier gibt es verschiedene Ausführungen in verschiedenen Dimensionen, wie folgende Übersicht zeigt:
  • Vliese
  • Matten mit verschiedenen Bindern und Faserlängen
  • Unidirektionale-Gelege
  • Bi- und Multiaxiale Gelege, Flugzeugbaulaminat
  • Gewebe
  • Kombinationshalbzeuge
Für ein Produkt im Industriedesign kann dieses Halbzeug mit verschiedenen Fertigungsverfahren (vom Handlaminieren über Faserspritzen bis zum RTM) sehr flexibel in Gestalt gebracht werden. Im Vergleich zum Metallbau, wo aus einer 2D-Platte eine 3D-Form geschaffen werden muss, entsteht bei Faserverbundwerkstoffen die Form mit dem Teil selbst. Harze schützen die Fasern vor äußeren Einflüssen sowie Beschädigungen und bewahren die Bauteilform. Sie dienen als Bindeglied zwischen den Fasern und verteilen Lasten zwischen den Schichten und Strängen.
Die Fertigung mit Faserverbundstoffen ist dem Herstellungsprozess mit Blechen überlegen, wenn es um Kosteneffizienz und Flexibilität bei kleineren Stückzahlen geht. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Herstellung von Maschinenverkleidungen. Die Herstellung der Formwerkzeuge ist bei Faserverbundwerkstoffen deutlich günstiger als in der Blechverarbeitung, da die bei der Fertigung auftretenden Lasten nur einen Bruchteil betragen. So spielt eine Herstellung aus Faserverbundstoffen ihre Kostenvorteile bei kleinen Stückzahlen voll aus, beispielsweise im Bau von industriellen Prototypen. Die teuren Formwerkzeuge für Industriedesign mit Metall lohnen sich hier erst bei größeren Fertigungsmengen.

Formgebung:
Was ist bei CFK/GFK Composites möglich?

Faserverbundwerkstoffe (CFK, GFK) können so genutzt werden, dass sie Formen sehr gut abbilden und sich eng an andere Formen anschmiegen. Diese Eigenschaften werden bereits seit längerem beispielsweise im Bootsbau verwendet: Seit den 1940er Jahren wurden hier Versuche mit GFK (Glasfaserverstärktem Kunststoff) gemacht, um passgenaue, formstabile Bauteile zu erzeugen. In den 1960er-Jahren wurden erstmals erfolgreich Massivlaminate aus GFK-Kunststoff eingesetzt. Heute sorgen moderne Faserverbundwerkstoffe für immer besser angepasste Formen von Bauteilen wie Rümpfen und Masten, um schnellere, leichtere und eleganter geformte Boote zu realisieren.
Im Bootsbau hat die Firma PRK Kunststoffverarbeitung übrigens auch ihren Ursprung.

Mehr Freiheiten im Industriedesign

Die flexiblen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe werden heute in Industriedesign, Industrie und Handwerk, beispielsweise auch bei der Gestaltung durch technische Produktdesigner, sehr geschätzt. Die Erfahrungen der PRK Kunststoffverarbeitung haben gezeigt, dass Industrieprodukte, die mit Metall sehr schlicht gestaltet werden mussten, mit Faserverbundwerkstoffen auf einmal sehr variabel formbar werden. Ein gutes Beispiel für Möglichkeiten zu Industriedesign im Maschinenbau sind Maschineneinhausungen: Bei Lösungen mit Paneel- und Blechverkleidungen entstehen sehr eckige, starre und unflexible Umhausungen als Kant-, Biege- oder Schweißkonstruktionen. Bei Verwendung von Faserverbundwerkstoffen kann hier jedoch eine erstaunliche Vielfalt an individuell angepassten Formen entstehen.
Der Grad der Flexibilität des fertigen Bauteils lässt sich dabei nicht nur über die Wandstärke beeinflussen, sondern ganz gezielt über die Art der eingesetzten Verstärkungsfasern und deren Orientierung im Bauteil steuern.

Leichtbau:
Welche Möglichkeiten bieten Faserverbundstoffe zur Funktionsintegration im Leichtbau?

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Faserverbundstoffe ermöglichen es, die Eigenschaften von Industrieprodukten sehr flexibel zu beeinflussen. Man kann gezielt besondere Eigenschaften von einzelnen Verbundmaterialien nutzen und auch die Vorteile der verwendeten Materialien kombinieren: Beispielsweise die hohe Festigkeit einer Faser mit der chemischen Beständigkeit eines Kunststoffes.

Flexible Anpassungen möglich über Fasern oder Kunststoff

Die Grundstruktur der Stoffe bietet bereits viele Möglichkeiten zur flexiblen Anpassung: Man spricht hier von strukturkonformer Funktionsintegration. So können beispielsweise verschiedene Faserlängen wie Kurzfasern (0,1-1 mm), Langfasern (1-50 mm) und Endlosfasern (> 50 mm) kombiniert werden. Die Fasern können streng parallel liegen (sogenannte “Gelege”), als Geflechte geflochten oder als Gewebe gewoben werden oder als Wirrfasermatte quasi unorientiert vorliegen. Je nach Aufbau hat das Gebilde aus Fasern dann andere physikalische Eigenschaften. So kann z. B. über die Ausrichtung der Fasern bestimmt werden, wie steif bestimmte Bereiche einer Faserverbundkonstruktion sind.
Auch über die Auswahl des Kunststoffes ist es möglich, Eigenschaften des Werkstoffs flexibel zu gestalten, zum Beispiel welche Temperaturbeständigkeit dieser hat.

Weniger Masse = mehr Sicherheit?

Mit diesen Mitteln ist es möglich, sogar Anforderungen zu erfüllen, die sich auf den ersten Blick zu widersprechen scheinen. Man kann zum Beispiel die Festigkeit und Steifigkeit eines Bauteils erhöhen und gleichzeitig die Masse des Teils für einen Leichtbau reduzieren.
Dieses Potenzial für Flexibilität kann zu einem beträchtlichen Mehrwert bei Konstruktionen von Leichtbauteilen führen.

Werkstoff:
Welche Einsatzmöglichkeiten für GFK-Verbundwerkstoffe bietet Ihnen PRK Kunststoffverarbeitung?

Was ist glasfaserverstärkter Kunststoff (Eigenschaften), und was ist der Vorteil der Glasfaser?

Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) entstehen durch eine Verbindung aus Kunststoff und Glasfasern.
In der Regel verwendet man für die die Verstärkung mit Lang- oder Endlosfasern Duroplasten als Matrixsystem. Mit Masse kommen folgende Kunstharze als Matrixsystem zum Einsatz:

  • Ungesättigte Polyester (UP)
  • Epoxide (EP)
  • Vinylester (VE)
  • Phenole (PF)
Die Matrix wird verstärkt durch Faserhalbzeuge aus Glasfasern mit bestimmten Längen. Im Verbund kann die Glasfaser ihre Eigenschaften optimal einbringen. Wenn man den Kunststoff für die Matrix gut auswählt, haben GFK eine gute elektrische Isolationswirkung. Die bruchdehnungs-Eigenschaften sind hervorragend, auch kann viel elastische Energie aufgenommen werden. Der Elastizitätsmodul, d. h. die Steifigkeit glasfaserverstärkter Kunststoffe ist dabei eher niedrig.
PRK Autotuning GFK CFK

Welche Möglichkeiten gibt es bei GFK zur Verarbeitung und Anwendung?

GFK-Faserverbundwerkstoffe sind flexibel formbar, leicht, fest und haben doch eine gewisse Elastizität. Geeignete Anwendungsgebiete sind hier beispielsweise:
  • Fahrzeugteile an der Oberfläche wie Dächer, Motorhauben, Kotflügel, Innenverkleidung
  • Tuning-Teile für Fahrzeuge
  • Rohre
  • Rümpfe im Schiffbau
  • Fassaden und Verkleidungen
  • Maschineneinhausungen

Abfall:
Was ist bei der Entsorgung glasfaserverstärkter Kunststoffe zu beachten?

Die beste Lösung im Alltag ist, für nicht mehr benötigte GFK-Bauteile eine anders geartete Verwendung im Betrieb zu finden. Ansonsten zählen GFK-Abfälle je nach Regelungen der zuständigen Kommune als Hausmüll oder Sondermüll. Es sind aber auch andere Entsorgungsmöglichkeiten in der Entwicklung. Beispiele sind die Verwendung des Faser-Kunststoff-Verbundes als Brennstoff und die Rückführung des Glases in Sand.



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Produktion:
Was ist bei PRK Kunststoffverarbeitung mit CFK-Verbundwerkstoffen möglich?

Wie entstehen CFK-Materialien?

CFK, also carbonfaserverstärkte Kunststoffe (auf Englisch heißen CFK “carbon-fiber-reinforced polymers”, kurz CFRP) entstehen, wenn man Kohlenstofffasern mit einem Kunststoff umgibt. In der Regel werden hierfür Duroplasten verwendet. Dabei verbindet der Kunststoff die Fasern und füllt die Räume zwischen ihnen auf. Die Fasern, allesamt deutlich dünner als ein Menschenhaar, werden so zu tausenden gebündelt, die Bündel dann auf Spulen gewickelt. So können sie zu Strukturen von CFK-Material weiterverarbeitet werden - oder sie werden analog zu den Glasfasern zu flächigen Faserhalbzeugen als Zwischenprodukt kombiniert.

Welche Vorteile und Eigenschaften haben carbonfaserverstärkte Kunststoffe?

CFK-Faserverbundwerkstoffe sind in ihrer Festigkeit mit Stahl vergleichbar - und dabei noch deutlich steifer bei nur etwa einem Viertel der Dichte. Das Aussehen von Produkten aus carbonfaserverstärktem Kunststoff wird insbesondere in Bereichen wie dem Industriedesign sehr geschätzt. Kohlestofffasern ermöglichen leichte und gleichzeitig mechanisch sehr belastbare Bauteile.
Eine weiterer Besonderheit ist der negative Temperaturausdehnungskoeffizient in Faserlängsrichtung. So können - bei geeigneter Kombination von Faserrichtung, -anteil und Matrixsystem - Bauteile gefertigt werden, die über hohe Temperaturbereiche invariant sind, also keine Temperaturausdehnung zeigen.

Wo werden CFK angewandt? Welche CFK-Bauteile stellt PRK Kunststoffverarbeitung her?

CFK benutzen wir immer dann, wenn geringe Masse gepaart mit hohen mechanischen Eigenschaften gefordert wird. Die mechanischen Eigenschaften von carbonfaserverstärkten Kunststoffen sind überragend. Daher sind sie gut geeignet für Anwendungen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, dem Fahrzeugbau oder auch im Bauwesen. Bei der Gestaltung von Innenausstattungen kann ein edler Look durch die sogenannte Carbon-Optik erreicht werden. Im Bereich von Sportgeräten wird Carbon gerne als Material für Fahrradrahmen, Angelruten oder Tennisschläger benutzt. Bei manchen Produkten kommt die Kohlenstofffaser auch aus reinen Imagegründen zum Einsatz, oftmals in Kombination mit Aramidfasern (Kevlar®).
Als geeignete Anwendungsgebiete haben sich in unserer Praxis außerdem beispielsweise gezeigt:
  • Roboterverkleidungen
  • Luftfahrzeugsitze
  • Maschinen- und Anlagenbau, wenn Bauteile mit hoher Steifigkeit gefordert werden
  • optische Geräte wie Träger für Antennenspiegel und Linsen im Satellitenbau, die extremen Temperaturbedingungen ausgesetzt sind
  • Industrieroboter, die sehr steife Bauteile aus extremem Leichtbau brauchen, um bei ihrer Bewegung hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu erreichen

Welche CFK-Fertigungsverfahren sind möglich?

Wir können Ihnen verschiedene Fertigungsverfahren für CFK bieten, die jeweils spezifische CFK-Eigenschaften hervorrufen:
  • Handlaminieren: Kunstharz und Verstärkungsfasern werden im Wechsel per Hand in ein Formwerkzeug eingebracht und anschließen entlüftet und gegebenenfalls unter Vakuum kompremiert. Dieses Verfahren eignet sich, um kleine, passgenaue Auflagen von einem Werkstück zu erzeugen.
  • RTM (Resin Transfer Moduling): Erzeugt Bauteile mit hochqualitativer Oberfläche auf beiden Seiten und sehr guten mechanischen Eigenschaften. Es können auch Teile mit Sandwichkern gefertigt werden, um die Bauteilmasse bei vorgegebenen Lasten weiter zu reduzieren.
  • Injektionsverfahren: Fasermaterialien werden trocken in ein Formwerkzeug gelegt. Unter einer Folie wird dann unter Vakuum flüssiges Harz in den Faseraufbau injiziert. Das Verfahren eignet sich besonders um Prototypen herzustellen oder Teile mit geringer Stückzahl. Dabei entstehen Bauteile mit einer glatten formfallenden Außenseite und einer laminatrauen Innenseite.

GFK vs. CFK:
Was sind die Unterschiede?

CFK sind steifer und fester als GFK-Material. Sie kommen bei diesen Eigenschaften an hochfeste und höchstfeste Stähle heran. Im Vergleich sind sie sogar noch steifer und wiegen dabei nur ca. ein Viertel.

GFK sind dagegen weniger steif verfügen aber über sehr gute Dämpfungseigenschaften. Sie können so auch Schläge elastischer aufnehmen und abfedern. Glasfaserverstärkter Kunststoff ist daher beim Einsatz vor allem dann vorzuziehen, wenn diese elastischen Eigenschaften benötigt werden. In ihrer spezifischen Festigkeit (bezogen auf die Bauteilmasse sind GFK vergleichbar mit Aluminium.

Ein GFK Anwendungs-Beispiel bei PRK Kunststoffverarbeitung sind Dächer für Reisemobile. Hier konnte durch Einsatz von GFK eine gute Beständigkeit gegen Hagelschlag erreicht werden: Das Material gibt nach, ohne Dellen zu bilden, im Gegensatz zum klassischen Automobil-Dach aus Blech.

Beim Vergleich der Materialien sollte man berücksichtigen, dass die Herstellung von carbonfaserverstärkten Kunstoffen aufwändiger ist als die von GFK. Daher sind CFK auch deutlich teurer in der Produktion. Aus diesem Grund setzen wir überwiegend glasfaserverstärkte Kunststoffe für die Produkte unserer Kunden ein. Nur wenn die Lösung für den Kunden die besonderen Eigenschaften von CFK benötigt, empfehlen wir dieses Material mit dem damit verbundenen Aufpreis.
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