Leitfaden zu Verbundwerkstoffen
Was sind Verbundwerkstoffe?
Verbundwerkstoffe, auch als faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bekannt, sind aus Verstärkungen (Fasern) und einer Matrix (Harz) hergestellte Materialien. Diese Materialien an sich sind nur bedingt nutzbar, aber in einem Verbundwerkstoff kombiniert bietet das so geschaffene Material eine Vielzahl von nützlichen Vorteilen.
In Verbundwerkstoffen werden die Verstärkungsfasern verwendet, um Zug- und Druckbelastungen zu widerstehen, während die Matrix (der „Kunststoff“) Scherungskräfte überträgt.
In den heutigen industriellen Verbundwerkstoffen werden Glas- und Karbonfaser am häufigsten als Verstärkungen verwendet. Es gibt viele andere Fasern, die verwendet werden können und die Faserauswahl hängt weitgehend von den erforderlichen Materialeigenschaften und den Herstellungstechniken ab.
Vorteile von Verbundwerkstoffen
Verbundwerkstoffe bieten viele Vorteile, sowohl aufgrund der Anpassungsfähigkeit der chemischen Eigenschaften und Zusammensetzung von Faser und Harz im Verbundstoff als auch aufgrund der Gewichtseinsparung und der Langlebigkeit im Vergleich zu anderen Materialien wie Stahl und Aluminium.
Eigenschaften wie eine hohe Belastbarkeit bei geringem Gewicht in Verbindung mit der gewünschten Steifigkeit und Festigkeit lassen sich mit Verbundwerkstoffen problemlos realisieren. Darüber hinaus sind Verbundwerkstoffe sehr langlebige Materialien, die gegen viele der Umgebungsbedingungen beständig sind, unter denen Verbundwerkstoffe eingesetzt werden können, unter anderem:
Geringes Gewicht
Verbundwerkstoffe haben in der Regel eine spezifische Dichte von einem Viertel von Stahl und zwei Dritteln von Aluminium. Dies hilft bei einer Vielzahl von Anwendungen, Gewicht zu sparen, ohne an Festigkeit oder Steifigkeit zu verlieren.
Hohe Festigkeit und Steifigkeit
Verbundwerkstoffe haben ein höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis im Vergleich zu Stahl oder Aluminium und Steifigkeitseigenschaften, die Kunststoffe und andere nicht-metallische Materialien leistungsmäßig übertreffen.
Wirtschaftlichkeit
Unsere Verbundwerkstoffe sind für Formgebung und Spezifikation bereit. Dies bedeutet, dass im Gegensatz zur Metallfertigung kein Schneiden, Schweißen oder Schleifen erforderlich ist.
Thermische Effizienz
Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind ausgezeichnete Isolatoren und übertragen weder Wärme noch Kälte, was zur Verbesserung der thermischen Effizienz in Anwendungen beiträgt, in denen sie verwendet werden (insbesondere in Anwendungen wie Fenster- und Türrahmen).
Chemikalien- und Korrosionsbeständigkeit
Verbundwerkstoffe bieten eine dauerhafte Beständigkeit unter sauren, salzigen oder alkalischen Bedingungen. Sie sind deshalb für harsche Umgebungen geeignet, wie zum Beispiel Wasseraufbereitungsanlagen, Öl- und Gasbohrungsanwendungen oder sogar den Küstenbereich.
Designflexibilität
Das Verbundwerkstoffdesign nutzt die Vorteile, dass sowohl mehrere Funktionen in einem einzigen Profil kombiniert werden können als auch dass sich aufgrund der Auswahl an Fasern, Matten- und Harzsystemen ein breites Spektrum an Problemstellungen und Anforderungen ansprechen lässt.
Wie werden Verbundwerkstoffe hergestellt?
Es gibt viele Herstellungsmethoden für Verbundwerkstoffe. Bei Exel sind wir auf Pultrusion, Pullwinding und Endloslamination spezialisiert. Andere häufig verwendete Methoden sind jedoch das Prepreg-Spritzgießen, Resin Transfer Moulding (RTM), Filament-Winding, Spritzgießen und natürlich das Auftragen von Hand. Jede dieser Methoden bietet unterschiedliche Produktionsvorteile und ihre Anwendung ist von vielen Faktoren abhängig, wie zum Beispiel den Produktionsvolumen und der Geometrie des hergestellten Profils.
In der Endloslaminations-, Pultrusion- und Pullwinding-Fertigung wird das Profil in einem Stück gefertigt und am Ende des Fertigungsprozesses auf die gewünschte Länge zugeschnitten (fliegende Schere). Wir haben jahrzehntelanges Know-how in diesen Prozessen gesammelt und denken immer darüber nach, wie wir sie für unsere Kunden verbessern können.
Was sind Duroplast- und thermoplastische Verbundwerkstoffe?
Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen werden zwei Haupttypen von Harz verwendet: Duroplaste und Thermoplaste. Harze für die Herstellung von Duroplasten werden derzeit am häufigsten verwendet, aber mit der zunehmenden Verbreitung von Verbundwerkstoffen wird die Anwendung von Thermoplasten vermehrt erforscht.
Harze für Duroplaste formen beim Aushärten unter Einwirkung von Wärme stark vernetzte Polymeren mit unlöslichen oder unschmelzbaren starren Bindungen, die bei Wärmeeinwirkung nicht schmelzen. Andererseits sind Thermoplaste Zweige oder Ketten von Monomeren, die beim Erhitzen erweichen und nach dem Abkühlen erstarren – ein reversibler Prozess ohne chemische Bindung. Einfach ausgedrückt, kann ein Thermoplast erneut geschmolzen und geformt werden, ein Duroplast jedoch nicht.
Leitfaden für Verbundwerkstoffrohmaterial
Verbundwerkstoffe, auch als faserverstärkte Kunststoffe bekannt, werden in der Regel durch die Kombination einer Verstärkung und einer Matrix hergestellt. Die am häufigsten verwendeten Verstärkungen sind Glas- und Karbonfasern. Die Matrix, allgemein als Harz bezeichnet, umfasst eine Vielzahl von Arten, die jeweils einzigartige chemische Eigenschaften aufweisen, die in unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im endgültigen Verbundwerkstoffprodukt resultieren.
