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Leichtbau mit faserverstärkten Kunststoffen in Automotive, Maschinenbau, Luft- & Raumfahrt

Mit GFK/CFK Gewicht reduzieren und gleichzeitig mechanische Eigenschaften deutlich steigern

Das Konstruktionsprinzip des Leichtbaus kann gegenwärtig einen festen Platz im Kanon der so genannten Schlüsseltechnologien behaupten. Es 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“. Dazu gehören selbstredend die Innovationstreiber Automotive, Maschinenbau, Luft- & Raumfahrt. Leichtbau bietet große Sparpotenziale für Ressourcen in der Produktion wie im Betrieb. Er ist damit ökologisch wie ökonomisch sehr ergiebig. Eine Schlüsselrolle im Leichtbau spielen wiederum die Faserverbundwerkstoffe. Glasfaserverstärkter Kunststoff und kohlenfaserverstärkter Kunststoff gelten als klassische Leichtbaumaterialien.
PRK Leichtbau Luftfahrt GFK CFK

Was ist Leichtbau?

Leichtbau (englisch „lightweight construction“) bezeichnet eine besondere Herangehensweise bzw. Technik bei der Konstruktion. Man versucht bei der Herstellung von Bauteilen sowohl Gewicht als auch Ressourcen einzusparen. So sind bei Rohstoffen, Kosten und Energie große Einsparungen möglich. Das gilt 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 auch Möbel im Leichtbau entstehen können.

Leichtbaustrategien:
Welche aktuellen Ausrichtungen gibt es?

  • Stoffleichtbau bedeutet, dass man schwere Materialien, also Materialien mit hoher Dichte, durch leichtgewichtige Materialien wie Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) ersetzt. 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 an Lösungen aus der Natur orientieren. Beispielsweise an der Form von Bienenwaben oder der inneren Struktur eines Knochen.  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. Durch diese Kombination an Funktionalitäten können sie an einer anderen Stelle eingespart werden. Ein Beispiel für den funktionsintegrierten Leichtbau: Elektrisch leitende Werkstoffe wie Aluminium werden in Faserverbundwerkstoffe integriert. Somit nutzt man die Leitfähigkeit des Metalls, um zusätzliche Leitungen zu sparen.
  • Bedingungsleichtbau beschäftigt sich damit, wie man Gewicht einsparen kann. Man untersucht, unter welchen belastenden Bedingungen der Werkstoff eingesetzt wird. So können bei der Materialdicke unnötig hohe Sicherheitsreserven vermieden werden.
  • Sparleichtbau und Öko Leichtbau bzw. 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. Beispiele sind Kosteneinsparungen für Treibstoff und die Erhöhung der maximal mögliche Zuladung.

Eigenschaften:
Warum sind Faserverbundwerkstoffe optimal für Leichtbau geeignet?

PRK Glasfaser GFK Matrix Matte 2019 07 29 15 38 40
Composites aus Glasfaser/Kohlestofffaser und Kunststoff…

  • 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

Stabilität:
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 kommt Kohlefaser (CFK) und in noch selteneren Fällen Aramit zum Einsatz. 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 allein. Welche Festigkeit und Steifigkeit die Produkte aus Faserverbundwerkstoffen haben, bestimmt dabei nicht allein die Kunststoffmatrix. Entscheidend sind 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. Je enger der Raum für 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: Wird der Anteil der Fasern erhöht, wird der Werkstoff fester. Allerdings wird er auch spröder und starrer. Er verliert an Flexibilität.

Die Fasern können so ausgerichtet werden dass sie den konkreten Anwendungsfall unterstützen. Ihre Dichte, also die Anzahl der Fasern an der Fläche, kann nach Bedarf flexibel gestaltet werden.


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Physik:
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-Gewebe die fünffache Steifigkeit und Zugfestigkeit von Stahl bei gleichem Gewicht. Man könnte also theoretisch mit einem Kilogramm carbonfaserverstärktem Kunststoff fünf Kilogramm Stahl ersetzen.
Der Elastizitätsmodul (E-Modul) von CFK ist hoch. Carbon hat eine niedrige Materialermüdung. Seine Restfestigkeit nach Ermüdung ist hoch. 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. Sie finden Verwendung für eine federnde Wirkung , wie in Blattfedern etc.
Im Vergleich zu Metallen wie Aluminium sind GFK nicht magnetisch. Das 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 Diagramm setzt dabei Bruchspannung und Zugfestigkeit in Relation zueinander.

Wie ist bei CFK/Carbon die Zugfestigkeit?

Legt man die Zugfestigkeit von Carbon, also der Kohlenstoff-Faser, zugrunde, beträgt die Zugfestigkeit von CFK 5600 N/mm². Dieser Wert ist deutlich höher als die Zugfestigkeit von Stahl.

Wie ist bei GFK/Glasfaser die Zugfestigkeit?

Die Glasfaser und damit auch GFK hat Zugfestigkeits-Werte im Bereich von 3400N/mm². Damit übertreffen GFK auch bespielsweise Edelstahl, was Zugfestigkeits-Werte betrifft (je nachdem ca. 600MPa). Auch die Zugfestigkeit von Aluminium (400MPa) wird klar übertroffen.

Was ist die Bruchdehnung (Definition)?

Sie beschreibt, wie verformbar ein Werkstoff ist, bevor er bricht. Es wird gemessen, welche Verlängerung einer Probe bleibt. Der Vergleichswert ist die Messlänge vor dem Versuch.

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. Denn bei Belastung soll kein Bauteilversagen eintreten, nur weil das Harz bricht oder reißt. Ansonsten sind GFK aber deutlich widerstandsfähiger gegen Krafteinwirkung als Aluminium.

Welche Bruchdehnung haben CFK?

Laut Definition bezeichnet Bruchdehnung die Formbarkeit bei Krafteinwirkung. Die Werte für die Bruchdehnung von CFK liegen unter denen von GFK. Das liegt an der höheren gewichtsspezifischen Festigkeit von Carbon.

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?

Bei GFK ist die Druckfestigkeit in Faserrichtung in der Regel deutlich höher als die Druckfestigkeit bei Aluminium. So ist in Längsrichtung in der Regel von Werten von 150-300 MPa auszugehen sowie 60-150 MPa in Querrichtung.

Wie ist die Druckfestigkeit von CFK?

Die Werte sind abhängig von der Ausrichtung der Fasern und deren Anteil am Volumen. Bei gleichem Faseranteil in Kett- und Schussrichtung ist bei einer üblichen Faserdichte von ca. 1,8g/cm³ von einer Druckfestigkeit beispielsweise von Werten um 200 MPa auszugehen.

Baukasten:
Physikalische Eigenschaften von Composites gestalten – Was ist möglich?

Die Auswahl des Kunststoffs

Die physikalischen Möglichkeiten eines Werkstoffs werden über die Auswahl des richtigen Kunststoffs für GFK/CFK bestimmt. So können Thermoplaste verwendet werden, die sich ab einer gewissen Erwärmung verformen lassen. Duroplaste hingegen bleiben auch bei hohen Temperaturen wärmebeständig und fest.

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. Sie ist im Bereich des Fußgelenks steif. 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. Dazu kommen Wirrfasermatten zum Einsatz. Es ist auf jeden Fall geboten, die Faserrichtung im Bauteil den lastwirkenden Kräften anzupassen.

Die Auswahl der Faser

Die Dichte bestimmt sich aus der Dichte des gewählten Kunststoffs. Das Harz und der Anteil der eingebetteten Fasern haben große Einfluss darauf. Das Ziel ist es in der Regel, bei möglichst geringer Dichte möglichst hohe Stabilität zu erreichen. Glasfasern sind normalerweise dichter als die verwendeten Kunststoffe. Deshalb 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.
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