BKM – Faserverstärkte Kunststoffe
Eine Möglichkeit, um die Eigenschaften von Kunststoffen zu beeinflussen, ist die Zugabe von Additiven. Eine andere Möglichkeit ist, sie mit Fasermaterialien anzureichern.
Fasern können die mechanischen Eigenschaften verbessern und die Härte, die Steifigkeit, die Wärmestabilität, die chemische Beständigkeit, die elektrische Leitfähigkeit und das Abriebverhalten erhöhen.
Faserverstärkte Kunststoffe sind extrem stabil, wiegen wenig und lassen sich einfach verarbeiten. Deshalb eignen sie sich für Bauteile in Fahrzeugen ebenso wie für Komponenten in der Elektronikindustrie oder für Artikel aus dem Sport- und Freizeitbereich.
Inhalt:
Die Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen
Durch den Zusatz von Fasern werden die charakteristischen Merkmale eines Kunststoffs nahezu optimal auf die geplante Anwendung eingestellt. Dabei entscheiden zum einen die Art des Fasermaterials und zum anderen die Länge und die Form der Fasern darüber, wie sich die Eigenschaften des Kunststoffs verändern.
Die Ausrichtung des Fasermaterials wiederum beeinflusst die mechanische Belastbarkeit. In Richtung der Fasern ist die Festigkeit höher als quer dazu.
Als Fasermaterial spielen in der Kunststoffindustrie vor allem Glas-, Aramid- und Kohlenstofffasern eine wichtige Rolle. Mit Blick auf Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit ist die Palette in den vergangenen Jahren außerdem um verschiedene Naturfasern gewachsen.
Aramidfasern haben ähnliche Eigenschaften und erreichen eine vergleichbar hohe Festigkeit wie Glasfasern. Allerdings sind sie um ein Vielfaches teurer. Sie werden vor allem dann eingesetzt, wenn eine Anwendung Schlagzähigkeit erfordert.
Die beste Qualität stellen Kohlestofffasern bereit. Weil sie bis zu einer Temperatur von etwa 4.000 °C beständig sind, kommen sie bevorzugt in der Luft- und Raumfahrt zur Anwendung.
Bemerkenswert ist auch die enorme Zugfestigkeit von bis zu 4.700 N/mm2, die Spezialtypen aufweisen.
Zu den Naturfasern, die sich für die Verstärkung von Kunststoffen eignen, gehören Flachs, Hanf, Jute, Sisal und Ramie. Zu ihren Pluspunkten gehört neben dem geringen Gewicht, dass sie Wärme dämmen und Schall isolieren. Außerdem sind sie leichter zu entsorgen. Was die Festigkeit angeht, können sie mit Glas-, Aramid- und Kohlenstofffasern aber nicht mithalten.
Anwendungen mit faserverstärkten Kunststoffen
Faserverstärkte Kunststoffe werden in vielen verschiedenen Bereichen verwendet. Oft sind sie als Ersatz dort zu finden, wo traditionell metallische Werkstoffe genutzt wurden. Ein gutes Beispiel dafür ist der Fahrzeugbau. Vor dem Hintergrund, dass Ressourcen knapper werden und die Umwelt geschützt werden muss, ist es unumgänglich, den Treibstoffverbrauch und die CO2-Emissionen von Fahrzeugen zu senken.
Durch den Einsatz von faserverstärkten Bauteilen aus Kunststoff können Leichtbaukonstruktionen realisiert werden. Das geringere Gewicht macht die Fahrzeuge sparsamer und leistungsstärker.
Hier unser: Kunststoff Gewichtseinsparungs-Rechner
Für die Elektroindustrie sind die guten Isolationseigenschaften von glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) interessant. Auch im Sport-, Outdoor- und Freizeitbereich sind sie weit verbreitet. Kunststofffasern spielen dort ihre Stärken aus, wo hohe mechanische und thermische Anforderungen gestellt werden. Das gilt zum Beispiel für den Bootsbau, Rotorblätter, aber auch Golfschläger.
Aramidfasern werden wegen ihrer besonderen Schlagzähigkeit zum Beispiel in schusssicheren Westen verarbeitet. Auch bruchsichere Cockpitfenster werden aus Kunststoffen gefertigt, die mit Aramidfasern verstärkt sind.
Die Verarbeitung von faserverstärkten Kunststoffen
Wie das Fasermaterial verarbeitet wird, hängt in erster Linie von seiner Form und Länge ab. Kurzfasern können der Kunststoffmasse einfach zugesetzt und anschließend durch Spritzgießen oder Extrusion verarbeitet werden. Langfasern, die zwischen 5 und 25 mm lang sind, eignen sich für Verfahren wie das Fließpressen.
Bei Endlosfasern und gleichgerichteten Fasersträngen, sogenannten Rovings, werden üblicherweise Endlos-Produktionsprozesse wie das Pultrusionsverfahren eingesetzt. Bei diesem Verfahren läuft der Faserstrang zuerst durch ein Harzbad, wird anschließend in einem beheizten Werkzeug in Form gebracht und härtet dann aus, weil sich der Kunststoff duroplastisch vernetzt.
Auf diese Weise können Bauteile und Profile mit Wandstärken zwischen 1 und 30 mm gefertigt werden. Wickelroboter ermöglichen, das Verfahren auch zu nutzen, um effizient rotationssymmetrische und hochfeste Bauteile wie Rohre und Tanks zu produzieren. In diesem Fall wird vom Nasswickeln gesprochen.
Fasermatten, -geflechte und -gewebe lassen sich durch ein Laminieren von Hand problemlos verarbeiten. Dafür wird das Fasermaterial in einem Harzbad getränkt und danach händisch an die Form oder das Bauteil gedrückt. Flächige Verbundstrukturen bieten den Vorteil, dass sie Belastungen in alle Richtungen aufnehmen.
Daher eignen sie sich für Produkte und Bauteile, die hohen Belastungen standhalten müssen. Profile, Rohre und andere Teile können in Masse produziert werden, indem die Fasermatten und -vliese automatisch laminiert werden.
Die Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen ist mit den Verfahren möglich, die auch bei der Bearbeitung von Metall und Holz zum Einsatz kommen.
Sie können also zum Beispiel gebohrt, gesägt, gefräst und gestanzt werden. Beim Kleben sollten Kunststoffe auf Basis von Polyurethan oder Epoxidharz angewendet werden, für Verschraubungen bieten sich selbstschneidende Schrauben an.
Die Lieferformen von Fasermaterialien
Die verschiedenen Fasern sind als Rovings, Vliese, Matten, Gewebe, Geflechte sowie Lang- und Endlosfasern erhältlich. Kurzfasern haben eine Länge von maximal 5 mm. Sie sind der Kunststoffmasse in aller Regel bereits beigemischt, sodass der Kunststoff direkt verarbeitet werden kann.
FAQ zu aktuellen Entwicklungen in der Technologie faserverstärkter Kunststoffe
Welche neuen Fasermaterialien werden derzeit in der Forschung für den Einsatz in faserverstärkten Kunststoffen untersucht?
Derzeit wird an verschiedenen neuen Fasermaterialien geforscht, um diese in faserverstärkten Kunststoffen einzusetzen. Hierzu zählen Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Graphen, die durch ihre außergewöhnlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften bestechen. Wegen ihrer Umweltverträglichkeit und möglicher Kostenvorteile gewinnen auch biobasierte Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen wie Bambus, Flachs oder Hanf an Bedeutung.
Welche Fortschritte gibt es beim Design von Verbundwerkstoffen aus faserverstärkten Kunststoffen?
Die Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung von Verbundwerkstoffen aus faserverstärkten Kunststoffen. Diese sollen verbesserte mechanische Eigenschaften und maßgeschneiderte Funktionalität aufweisen. Dazu gehören die Optimierung der Faser-Matrix-Grenzfläche, die Entwicklung neuer Hybridmaterialien und die Integration smarter Zusatzfunktionen wie Sensoren oder Selbstheilungseigenschaften.
Gibt es neue Herstellungsverfahren, die die Produktion von faserverstärkten Kunststoffen effizienter machen?
Ja, die Forschung arbeitet an neuen Herstellungsverfahren in der Kunststofftechnik, die die Produktion von faserverstärkten Kunststoffen effizienter und kostengünstiger machen sollen. Dazu gehören innovative Verarbeitungstechnologien wie der 3D-Druck, automatisierte Produktionslinien für großflächige Bauteile und die Integration von KI-basierten Systemen zur Prozessoptimierung.
Welche neuen Anwendungen können sich aus den aktuellen Entwicklungen in der Technologie der faserverstärkten Kunststoffe ergeben?
Neue Anwendungsfelder in verschiedenen Branchen eröffnen sich: Beispiele hierfür sind leichte und robuste Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, Strukturbauteile im Hoch- und Tiefbau für eine nachhaltige Infrastruktur sowie innovative Lösungen im Bereich der erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Rotorblätter für Windenergieanlagen.
Welche regulatorischen Aspekte und Normen sind im Zusammenhang mit faserverstärkten Kunststoffen zu beachten?
Insbesondere im Hinblick auf Sicherheitsstandards, Qualitätskontrollen und Zertifizierungen sind im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe verschiedene regulatorische Aspekte und Normen zu beachten. Dies sind beispielsweise Normen für Prüfmethoden, Brandschutzbestimmungen oder Umweltnormen für die Herstellung und Entsorgung von Verbundmaterialien.
Welches sind die zukünftigen Trends und Herausforderungen im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe?
Zu den Zukunftstrends für FVK zählen der verstärkte Einsatz in Hochleistungsanwendungen, die Entwicklung von langlebigen und recycelbaren Verbundmaterialien sowie die Integration von digitalen Fertigungstechnologien für eine effiziente Produktion. Die Herausforderungen könnten darin bestehen, die Kosten zu senken, die Recyclingfähigkeit und die Qualitätskontrolle zu verbessern und neue Normen und Vorschriften zu entwickeln, um eine sichere und nachhaltige Nutzung zu gewährleisten.
