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Faserverstärkte Kunststoffe

Faserverstärkte Kunststoffe

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.

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.

Glasfasern:
Das am häufigsten eingesetzte Verstärkungsmaterial für Kunststoffe sind Glasfasern. Mit 2.400 bis 3.500 N/mm2 haben sie eine hohe Zugfestigkeit, sind chemisch und thermisch beständig und lassen sich gut verarbeiten. Die Dauergebrauchstemperatur von Kunststoffen, die mit Glasfasern verstärkt sind, deckt den Bereich zwischen -100 und 155 °C ab. Ein weiterer, maßgeblicher Pluspunkt von Glasfasern sind die niedrigen Werkstoffkosten.

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.

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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.

Faserverstärkte Kunststoffe 2

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.