Verbundwerkstoffe
DIE FASERVERSTÄRKTEN VERBUNDWERKSTOFFE
Kohlenstofffasern wurden erstmals in den 1860er-Jahren als Glühfaden für Glühbirnen verwendet. Mit der Fortentwicklung der Glühbirne wurde auch der Glühfaden weiterentwickelt, und etwa 100 Jahre später wurden die ersten Hochleistungskohlenstofffasern gefertigt. Es dauerte jedoch bis in die 1970er-Jahre, bis zuverlässige Kohlenstofffasern industriell hergestellt werden konnten. Zu dieser Zeit wurde auf dem Gebiet der kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffe (CFK) intensiv geforscht, seitdem hat in allen Wirtschaftszweigen der Einsatz von Kohlenstofffasern um ein Vielfaches zugenommen. Dabei wurde nicht nur das Verhältnis zwischen Gewicht und Festigkeit weitgehend perfektioniert, überhaupt ist der Kenntnisstand hinsichtlich des Verarbeitungsprozesses und der Herstellung von hochleistungsfähigen sowie hochwertigen Kohlenstofffasern heute wesentlich höher.
Die Herstellung von Glasfasern war schon in früheren Zeiten möglich gewesen. Bereits die alten Ägypter und Griechen wussten, wie man Glas schmilzt. Damals wurden die Fasern allerdings in minderer Qualität hergestellt und nicht wirklich als Materialverstärkung verwendet.
Das Verfahren zur Herstellung von Endlosfasern, um sie als glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (GFK) zu verwenden, wurde erst in den 1930er-Jahren entwickelt. Seitdem Glasfasern kommerziell genutzt werden, haben sie ihren Weg in viele verschiedene Bereiche der Industrie gefunden. Glasfasern werden häufig zur Isolierung von Gebäuden oder Kabeln verwendet, können aber auch in Bauteilen eingesetzt werden. Glasfasern finden sich in Stabhochsprungstäben genauso wie in Wabenverbundstrukturen in Flugzeugen.
Da es eine große Vielfalt an Herstellungsverfahren gibt, sind den Einsatzmöglichkeiten keine Grenzen gesetzt.
Im Allgemeinen handelt es sich bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen um eine Kombination aus Fasern und Harzmatrixmaterial. Je nach Anwendung können verschiedene Rohmaterialtypen wie Trockenlaminat, Prepreg oder faserverstärkte Werkstoffe zum Einsatz kommen. Bei Swiss Fibertec verwenden wir für die Autoklavenproduktion hochwertiges Prepreg-Material von zertifizierten Herstellern. Prepreg ist die Abkürzung von „preimpregnated“, also vorimprägniert. Das bedeutet, dass die Fasern vor der Teileherstellung vom Rohstofflieferanten mit der Harzmatrix imprägniert werden. Das Prepreg-Material wird in einer kontrollierten Umgebung imprägniert, um eine gleichmäßige Verteilung der Harzmatrix im Material zu gewährleisten.
VORTEILE VON FASERVERSTÄRKTEN VERBUNDWERKSTOFFEN GEGENÜBER METALL
1. Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Kohlefaserverbundwerkstoffe sind im Vergleich zu ihrem Gewicht unglaublich stark. Sie weisen eine höhere Festigkeit als Stahl auf und sind dabei ein vielfaches leichter, wodurch ein hervorragendes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht erreicht wird. Bei gleichem Gewicht können Kohlefaserverbundwerkstoffe im Vergleich zu Stahl eine um den Faktor 5 höhere Zugfestigkeit und Steifigkeit erreichen, was wiederum bedeutet, dass – als Faustregel – 1 kg CFK 5 kg Stahl ersetzen kann. Diese Eigenschaft macht Kohlefaserverbundwerkstoffe ideal für Anwendungen, bei denen eine Gewichtsreduzierung entscheidend ist, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und bei Sportartikeln.
2. Steifigkeit: Kohlefaserverbundwerkstoffe haben einen niedrigen Elastizitätsmodul, d. h. sie sind sehr steif. Aufgrund dieser Steifigkeit eignen sie sich für Anwendungen, bei denen es auf Steifigkeit und Stabilität ankommt, wie z. B. bei der Konstruktion von Flugzeugflügeln und -strukturen, stark beanspruchten Automobilteilen und Sportgeräten.
3. Korrosionsbeständigkeit: Im Gegensatz zu Metallen wie Stahl korrodieren oder rosten Kohlefasern nicht. Dies macht Kohlefaserverbundwerkstoffe besonders wertvoll in rauen Umgebungen, etwa in der Schifffahrt oder in der chemischen Industrie.
4. Ermüdungsbeständigkeit: Kohlefaserverbundwerkstoffe können wiederholten Spannungs- und Belastungszyklen standhalten, ohne dass es zu Ermüdungsbrüchen kommt. Sie eignen sich daher für Bauteile, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, und kommen deshalb in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie zum Einsatz.
5. Flexibilität bei der Konstruktion: Kohlefaserverbundwerkstoffe können durch Anpassung der Faserorientierung und der Harzzusammensetzung auf bestimmte mechanische Eigenschaften zugeschnitten werden. Diese Flexibilität ermöglicht es Ingenieuren, Bauteile mit präzisen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften für die vorgesehenen Anwendungen zu entwerfen.
6. Ästhetik: Kohlefaserverbundwerkstoffe werden oft auch wegen ihres eleganten und modernen Aussehens gewählt. Aufgrund ihrer Ästhetik werden sie in Konsumgütern wie etwa hochwertigen Fahrrädern, Luxusautos oder in der Unterhaltungselektronik verwendet.
7. Beständigkeit gegen hohe Temperaturen: Kohlefaserverbundwerkstoffe können hohen Temperaturen standhalten und eignen sich daher für Bauteile, die extremer Hitze ausgesetzt sind, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt und in industriellen Anwendungen.
8. Geringe thermische Ausdehnung: Kohlefaserverbundwerkstoffe haben einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, d. h. sie dehnen sich bei Temperaturschwankungen nicht wesentlich aus oder ziehen sich zusammen. Diese Eigenschaft ist bei Anwendungen, bei denen die Dimensionsstabilität entscheidend ist, von grossem Vorteil.
9. Schwingungsdämpfung: Kohlefaserverbundwerkstoffe können Schwingungen absorbieren und dämpfen, was sie für Anwendungen nützlich macht, bei denen die Kontrolle von Schwingungen wichtig ist, wie bei Sportartikeln und Industriemaschinen.
PREPREG UND SEINE VORTEILE
Vorimprägnierte Gewebematerialien werden in kontrollierten Umgebungen hergestellt, um eine gleichmäßige Verteilung der Harzmatrix auf den Rohfasern zu gewährleisten. Das Gewebe kann in verschiedenen Ausrichtungen erworben werden, was bedeutet, dass die Fasern mithilfe verschiedener Techniken verwoben werden. Dadurch lässt sich eine breite Palette unterschiedlicher Materialeigenschaften für bestimmte Zwecke nutzen. Am häufigsten wird Gewebe in Leinwandbindung verwendet.
1. Präzise Steuerung des Harzes: Die Prepreg-Technik ermöglicht eine präzise Steuerung des Harzgehalts und der Harzverteilung, wodurch gleichbleibende und vorhersehbare mechanische Eigenschaften im endgültigen Verbundwerkstoff gewährleistet werden.
2. Lagerstabilität: Prepreg-Materialien können über längere Zeiträume ohne Aushärtung gelagert werden, was für die Hersteller praktisch ist und den Abfall reduziert.
3. Reduzierter Arbeitsaufwand: Im Vergleich zu Nasslegeverfahren, bei denen das Harz manuell aufgetragen wird, können Prepreg-Materialien den Arbeitsaufwand und mögliche Fehler bei der Harzverteilung reduzieren.
4. Verbesserte Qualität: Die kontrollierte Herstellungsumgebung der Prepreg-Produktion minimiert das Risiko von Hohlräumen, harzreichen Bereichen und anderen Defekten im fertigen Verbundwerkstoff.
5. Anpassbar: Ingenieure können Prepreg-Materialien durch die Auswahl der Art der Verstärkungsfasern, des Harzsystems und der Faserausrichtung individuell anpassen, um bestimmte Leistungsanforderungen zu erfüllen.
HERSTELLUNGSPROZESS VON BAUTEILEN
Bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen werden im Vorfeld der Bauteilherstellung Werkzeuge entwickelt, die dann für die Fertigung des endgültigen Bauteils verwendet werden. Das bedeutet, dass eine Negativform des Teils angefertigt wird, bevor das endgültige Bauteil produziert wird. Je nach Größe des Bauteils verwendet Swiss Fibertec entweder direkte Werkzeuge oder erstellt aus einem Positivwerkzeug ein Kohlenstoff-Negativwerkzeug. Dies ermöglicht die genaue Kontrolle der thermischen Ausdehnung des Materials.
Swiss Fibertec war das erste Unternehmen in der Schweiz, das gegossene Formen oder Werkzeuge verwendete, um die Werkzeuge für die endgültigen Verbundwerkstoffteile für Kunden herzustellen. Dies ermöglicht es Swiss Fibertec, grosse Bauteile für eine breite Palette von Kundengeräten herzustellen.
Jedes Verbundstoffbauteil durchläuft einen Aushärtungszyklus in einem Autoklaven. Während dieses Prozesses wird der Autoklav unter Druck gesetzt und erhitzt, sodass die Harzmatrix aushärten kann und das Material geometrisch starr wird.
Nach dem Aushärtungszyklus wird das Teil aus der Form entnommen und weiter bearbeitet, um sicherzustellen, dass die Abmessungen den endgültigen technischen Spezifikationen entsprechen. Hier werden Schleifen, Schneiden, Polieren, Bohren und verschiedene Anbauteile zu einem Endprodukt kombiniert.
• Luft- und Raumfahrt: Kohlefaserverbundwerkstoffe werden in großem Umfang in Flugzeugkomponenten wie Flügeln, Rümpfen, Primär- und Sekundärstrukturen, Triebwerken und Innenraumstrukturen eingesetzt, um Gewicht zu sparen und die Treibstoffeffizienz zu verbessern.
• Automobilindustrie: Bei Hochleistungsfahrzeugen werden Kohlefaserverbundwerkstoffe häufig in Komponenten wie Karosserieteilen, Fahrwerk und Innenverkleidungen eingesetzt, um Gewicht zu sparen und Leistung und Ästhetik zu verbessern.
• Sportartikel: Kohlefaserverbundwerkstoffe werden bei der Herstellung von leichten und hochfesten Sportgeräten wie Fahrrädern, Tennisschlägern, Golfschlägern und Hockeyschlägern verwendet.
• Schifffahrt: Bootsrümpfe und -komponenten profitieren von der Korrosionsbeständigkeit und dem hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis von Kohlenstoff- und Glasfaserverbundwerkstoffen.
• Industrielle Ausrüstung: Kohlefaserverbundwerkstoffe werden in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt, z. B. für Roboterarme, Druckbehälter und andere Komponenten, die eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit erfordern.
• Unterhaltungselektronik: Kohlefaserverbundwerkstoffe werden zuweilen in hochwertiger Unterhaltungselektronik und Gadgets verwendet, da sie leicht sind und modisch aussehen.