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Leichtbau praktisch umsetzen mit CFK und GFK

Wie Sie in der Produktion Gewicht sparen können ohne auf Leistung zu verzichten

Das Konstruktionsprinzip des Leichtbaus kann gegenwärtig einen festen Platz im Kanon der so genannten Schlüsseltechnologien behaupten und gilt als wichtiger Grundpfeiler für die Fertigung der Zukunft. So heißt es in einer Veröffentlichung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, dass „branchenübergreifend in allen wettbewerbsfähigen Produkten der Zukunft Leichtbau enthalten ist“. Leichtbau bietet große Sparpotenziale für Ressourcen in der Produktion wie im Betrieb und ist damit ökologisch wie ökonomisch sehr ergiebig. Eine Schlüsselrolle im Leichtbau spielen wiederum die Faserverbundwerkstoffe – sie gelten als klassische Leichtbaumaterialien.
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Was ist Leichtbau?

Leichtbau (englisch „lightweight construction“) ist eine Herangehensweise bzw. Technik bei der Konstruktion, mit der man bei der Herstellung von Bauteilen versucht, sowohl Gewicht als auch Ressourcen einzusparen. So kann sowohl bei Rohstoffen, Kosten und Energie eingespart werden - und das über den ganzen Lebenszyklus eines Produkts, von der Herstellung über die Benutzung bis zum Recycling. Man unterscheidet zwischen Werkstoffleichtbau, Formleichtbau, Konzeptleichtbau und Fertigungsleichtbau. Leichtbau macht in den verschiedensten Bereichen Sinn: Klassische Bereiche sind beim Leichtbau Luft- und Raumfahrt sowie moderner Bootsbau bzw. Leichtbau im Schiffsbau. Das sind aber längst nicht alle Anwendungsgebiete: So untersucht beispielsweise die Interessengemeinschaft Leichtbau (igeL) wie Möbel im Leichtbau entstehen können.

Welche Leichtbaustrategien gibt es?

  • Stoffleichbau bedeutet, dass man schwere Materialien, also Materialien mit hoher Dichte, durch leichtgewichtige Materialien ersetzt, wie zum Beispiel Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Hierbei kann man auch Materialen so im Verbund einsetzen, dass sich ihre vorteilhaften Eigenschaften kombinieren. Diesen Bereich nennt man hybriden Leichtbau oder Multimaterialleichtbau.
  • Formleichtbau meint, dass man durch gezielte Gestaltung Strukturen erstellt, die durch Anordnung ihrer Verstärkungen und Verstrebungen optimiert sind. So kann man beispielsweise die Struktur von Werkstoffen optimieren, in dem man gezielt Bereiche verstärkt die höher belastet werden. Oft kann man sich hier auch an Lösungen orientieren, die in der Natur vorkommen, Beispielsweise die Form wie Bienenwaben aufgebaut sind, oder die innere Struktur eines Knochens – der Wissenschaftszweig der Bionik beschäftigt sich mit dem Thema, wie bionisch optimierte Werkstoffe entstehen können.
  • Funktionsintegrierter Leichtbau hat zum Ziel, in einem Werkstoff mehre Funktionen zu integrieren, so dass diese Funktionalitäten an einer anderen Stelle wieder eingespart werden können. So wäre für den funktionsintegrierten Leichtbau ein Beispiel, dass man elektrisch leitende Werkstoffe wie Aluminium in Faserverbundwerkstoffe integriert. Somit nutzt man die Leitfähigkeit des Metalls, um zusätzliche Leitungen zu sparen.
  • Bedingungsleichtbau beschäftigt sich damit, wie man Gewicht einsparen kann indem man untersucht unter welchen Bedingungen der Werkstoff eingesetzt wird. So können zum Beispiel beim Material unnötig hohe Sicherheitsreserven vermieden werden.
  • Sparleichtbau, Öko Leichtbau, Zweckleichtbau sind dabei zu unterscheiden. Beim Sparleichtbau sucht man nach Möglichkeiten, durch Funktionsintegration und Prozessoptimierungen in der Produktion Werkstoffkosten zu sparen. Beim Zweckleichtbau denkt man auch noch daran, die Kosten für den Betrieb des Produkts zu verringern um Kosten für Treibstoff zu sparen und die maximal mögliche Zuladung zu erhöhen.

Warum sind Faserverbundwerkstoffe optimal für den Leichtbau geeignet?

Composites aus Glasfaser/Kohlestofffaser und Kunsttoff…
  • sind sehr robust gegen Zug und Biegung
  • wiegen sehr wenig
  • sind frei formbar
  • sind trotz geringer Dichte sehr fest und steif
  • bieten vielfältige Möglichkeiten zur Funktionsintegration

Warum sind Composites leicht und trotzdem fest?

Faserverbundwerkstoffe sind Mischwerkstoffe, die in der Regel aus einer Matrix aus Kunststoff (meistens Harz) und verstärkenden Fasern bestehen. Wir bei PRK Kunststoffverarbeitung nutzen in der Regel Glasfaser, in besonderen Fällen Kohlefaser (CFK) und in noch selteneren Fällen Aramit. Die Komponenten der Matrix und der Fasern wirken auf sich gegenseitig ein – dadurch haben sie im Verbund noch bessere Eigenschaften als die einzelnen Komponenten für sich genommen hätten.
Welche Festigkeit und Steifigkeit die Produkte aus Faserverbundwerkstoffen haben bestimmt nicht die Kunststoffmatrix, sondern die Fasermenge in der Matrix sowie die Faserrichtung.
Faserverbundwerkstoffe profitieren vom Effekt der spezifischen Festigkeit. Sie haben in Richtung der Faser eine deutlich höhere Festigkeit als in anderer Form. Die Faser ist dabei zugfest, während die Matrix weich und flexibel ist. Die Festigkeit wird dabei noch höher, wenn die Faser dünner wird: Auf je engerem Raum die Molekülketten der Fasern sind, desto mehr wirken die Molekülketten im Werkstoff in die gleiche Richtung. Das Volumenverhältnis von den Fasern zur Matrix bestimmt die Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs: Wenn der Anteil der Fasern erhöht wird, wird der Werkstoff fester – allerdings auch spröder und starrer und dadurch nicht mehr so flexibel.
Die Fasern können so ausgerichtet werden dass sie den konkreten Anwendungsfall unterstützen, und ihre Dichte, also die Anzahl der Fasern an der Fläche, kann flexibel gestaltet werden.

Welche mechanischen Eigenschaften besitzen faserverstärkte Kunststoffe?

Welche mechanischen Eigenschaften hat Carbon?

Trotz der geringen Dichte von CFK hat der Werkstoff eine hohe Festigkeit und Steifheit (also Widerstandsfähigkeit gegen elastische Verformung). Die Werte übertreffen die gewichtsspezifische Steifigkeit von Stahl sowie die Zugfestigkeit bei weitem. So hat Carbon in Faserrichtung die fünffache Steifigkeit und Zugfestigkeit von Stahl bei gleichem Gewicht. 
Der Elastizitätsmodul (E-Modul) von CFK ist hoch. Carbon hat eine niedrige Materialermüdung und eine hohe Restfestigkeit nach Ermüdung. Die Kriechneigung von CFK ist gering.

Welche mechanischen Eigenschaften haben GFK?

Gerade im Vergleich zu CFK ist bei GFK die Elastizität hoch. Glasfaserverstärkte Kunststoffe gelten als beständig, langlebig und robust gegen Wetter und Witterung.
Außerdem sind GFK sehr widerstandsfähig gegen Krafteinwirkungen wie Kratzer, Hagelschlag oder Steinschläge. Wo Aluminium in der Regel verbeult, können glasfaserverstärkte Kunststoffe sehr gut bestehen.
Wenn die passenden Kunststoffe/Harze gewählt werden, ist die Bruchdehnung von GFK hoch. Der Elastizitätsmodul der Glasfaser ist jedoch niedrig, sowohl verglichen mit anderen Faserarten als auch mit dem Elastiziätsmodul von Aluminium. Die Werte der elastischen Energieaufnahme bei GFK sind hoch. Dadurch eignen sich GFK als Werkstoff für Teile, die nicht wegen der hohen Steifigkeit ausgesucht werden, sondern weil sie beispielsweise eine federnde Wirkung haben sollen bei der Verwendung in Blattfedern etc.
Im Vergleich zu Metallen wie Aluminium sind GFK sind nicht magnetisch – dies ist zum Beispiel im Bootsbau eine geschätzte Eigenschaft.

Was ist Zugfestigkeit?

Die Zugfestigkeit ist ein Kennwert für die Festigkeit eines Stoffes. Sie stellt die höchstmögliche mechanische Spannung dar, der ein Werkstoff ausgesetzt sein kann. Man berechnet dabei die maximale Zugkraft, die man auf den ursprünglichen Querschnitt des Stoffes anwenden kann. Die Einheit dafür ist Megapascal (MPa) in N/mm². Die Zugfestigkeit wird oft in einem Diagramm dargestellt, das Bruchspannung und Zugfestigkeit in Relation zueinander setzt.
Wie ist bei CFK/Carbon die Zugfestigkeit?
Die Zugfestigkeit von Carbon, kann sich je nach der Ausgangsfaser unterscheiden. Welche Werte unsere Produkte hier haben, hängt hier auch von vielen weiteren Faktoren ab wie der Wahl des Kunststoffs und dem Fertigungsverfahren.
Pauschal lässt sich sagen dass bei Beanspruchung in Faserrichtung Bauteile entstehen können, die die Zugfestigkeit von Stahl deutlich übertreffen.
Wie ist bei der GFK/Glasfaser die Zugfestigkeit?
Die Glasfaser und damit auch GFK liegen im Bereich der Zugfestigkeit deutlich unter den Werten von CFK. Trotzdem können sie hier Kennzahlen aufweisen, die vergleichbare Produkte aus Edelstahl übertreffen. Auch die Zugfestigkeit von Aluminium kann deutlich überboten werden.

Was ist die Bruchdehnung (Definition)?

Sie beschreibt, wie verformbar ein Werkstoff ist, bevor er bricht. Es wird gemessen, welche Verlängerung einer Probe bleibt, verglichen mit der Messlänge am Anfang.
Welche Bruchdehnung haben GFK?
Wichtig ist hier, dass die Bruchdehnung von GFK in Längsrichtung und Querrichtung oft unterschiedlich ist. Jedoch können auch GFK hergestellt werden, deren Bruchdehnung richtungsunabhängig ist. Mit der passenden Kunststoffmatrix können GFK eine hohe Bruchdehnung erreichen. Die Bruchdehnung des Kunststoffes muss dafür mindestens gleich groß gewählt werden wie die der Bruchdehnung der Glasfasern, so dass bei Belastung kein Bauteilversagen eintritt, indem beispielsweise das Harz bricht oder reißt. Ansonsten sind GFK aber deutlich widerstandsfähiger gegen Krafteinwirkung als wenn man in puncto Bruchdehnung Aluminium damit vergleicht.
Welche Bruchdehnung haben CFK?
Da laut Definition Bruchdehnung die Formbarkeit bei Krafteinwirkung bezeichnet, liegen die Werte für die Bruchdehnung von CFK unter denen von GFK – dies liegt daran, dass die gewichtsspezifische Festigkeit von Carbon höher ist.

Was ist Druckfestigkeit?

Druckfestigkeit misst, wie widerstandfähig ein Material gegen Druckkraft ist. Die Maßeinheit ist eine bestimmte Einheit an Kraft bezogen auf eine Fläche (Newton pro mm²).
Was ist die Druckfestigkeit von GFK und CFK?
Die Druckfestigkeit wird bei GFK und CFK durch den Kunststoff bestimmt - die Fasern selbst würden sich unter Druckbelastung wie Seile auseinanderschieben lassen.
Prinzipiell sind hier aber Werte möglich, die die Druckfestigkeit von Aluminium und die Druckfestigkeit von Stahl (zumindest bei einigen Sorten) noch übertreffen können. Gerne beraten wir Sie bei Ihrem konkreten Anwendungsfall, was hier möglich ist. 

Physikalische Eigenschaften von Composites gezielt beeinflussen – was ist möglich?

Die Auswahl des Kunststoffs

Eine Möglichkeit, um physikalische Möglichkeiten des Werkstoffs zu bestimmen, ist die Auswahl des richtigen Kunststoffs für GFK/CFK: So können Thermoplaste verwendet werden, die sich ab einer gewissen Erwärmung verformen lassen, oder Duroplaste, die auch bei hohen Temperaturen wärmebeständig bleiben.

Die Gestaltung der Elastizität bzw. Steifigkeit von faserverstärkten Kunststoffen

Besonders über die Ausrichtung der Fasern im Verbundwerkstoff und unterschiedliche Gestaltung der Wandstärken eröffnen sich viele Möglichkeiten: So kann man beispielsweise eine Fläche schaffen, die an verschiedenen Stellen unterschiedlich steife oder elastische Bereiche hat.
Ein Beispiel aus unserer Praxis bei PRK Kunststoffverarbeitung ist eine Orthese, die im Bereich des Fußgelenks steif ist, darüber und darunter jedoch elastisch. So stützt die Orthese zwar, man kann aber trotzdem gut hineinschlüpfen und beim Gehen abrollen.
Es lassen sich also sehr einfach Materialien herstellen, die in verschiedene Richtungen verschieden steif sind (so genannte Anisotropie). Es ist aber auch möglich, isotropes Verhalten zu erreichen, zum Beispiel durch Wirrfasermatten. Es ist auf jeden Fall geboten, die Faserrichtung im Bauteil den lastwirkenden Kräften anzupassen.

Die Auswahl der Faser

Mit dem Schichtaufbau von Laminaten ist es beispielsweise möglich, genau bestimmte elektrische Isolationswirkungen einzustellen durch Auswahl der Fasern und des Harzsystems. So wirkt Carbon eher als elektrischer Leiter, die Glasfaser eher als Isolator.

Wie beeinflusst die Material-Dichte das Gewicht von glasfaserverstärktem Kunststoff?

Die Dichte bestimmt sich aus der Dichte des gewählten Kunststoffs, z. B. Harz, und dem Anteil der eingebetteten Fasern daran. Das Ziel ist es in der Regel, bei möglichst geringer Dichte möglichst hohe Stabilität zu erreichen. Da die Glasfasern normalerweise dichter als die verwendeten Kunststoffe sind, steigt die Dichte des Materials, je mehr Glasfasern im Gemisch enthalten sind. Üblich sind beim manuellen Laminieren mit Glasfasermatten 15-20% Anteil an Glasfasern verwendet man Glasgewebe, so steigt der Anteil auf 40-50%. Von der Dichte der Faserverbundwerkstoffe kann man übrigens nicht unbedingt Eigenschaften wie Härte und Zugfestigkeit der CFK/GFK ableiten. Der Wert lässt vor allem Rückschlüsse auf das Gewicht des Materials zu.
Norbert Frick
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