Faserverbundwerkstoffe Herstellung, Eigenschaften und Varianten kohlestofffaserverstärkter Kunststoffe

Im Maschinenbau werden CFK-Werkstoffe bisher nur für spezielle massekritische Bauteile eingesetzt. Eine umfangreiche Verwendung scheitert bisher vor allem an den hohen Preisen der Ausgangsmaterialien und der Fertigung. Oft fehlen auch Kenntnisse über die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes. Diese Wissenslücke möchte der Beitrag schließen und eine Firma vorstellen, die durch Verwendung von CFK-Resten aus der Flugzeugindustrie und vereinfachten Produktionsverfahren preislich relevante Bauteile anbieten kann.

Anbieter zum Thema

Hecker Kunststofftechnik GmbH & Co. KG

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Ruderer Klebetechnik GmbH

HADEG Recycling GmbH

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK-Werkstoffe) werden heute zunehmend als Leichtbaumaterial in zukunftsorientierten Wachstumsmärkten, z.B. für Strukturen in der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Yachtbau, in der Medizintechnik, bei hochwertigen Automobilteilen und in der Sportartikel-Industrie eingesetzt. Aber auch im Maschinenbau gewinnen sie zunehmend an Bedeutung, da sie gegenüber den unverstärkten Kunststoffen wesentliche Vorteile aufweisen. Neben außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften (hohe Zugfestigkeit, Elastizität und Steifigkeit) sind es vor allem das hervorragende Dauerschwingverhalten, die Korrosionsbeständigkeit, die äußerst niedrige Wärmedehnung und das gute Dämpfungsvermögen verbunden mit einer Dichte von nur 1,55 kg/dm³ (2/3 vom Aluminium, 1/5 vom Stahl), die diesen Werkstoff für viele Anwendungen. insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus (Gewichtseinsparung) für Konstrukteure interessant machen.

Die mechanischen Eigenschaften von CFK

Die mechanischen Eigenschaften von CFK, dessen Zug-, Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit sowie die Fähigkeit zur Arbeitsaufnahme werden vor allem bestimmt durch die Eigenschaften der verwendeten C-Fasern, deren Anteil und Orientierung, aber auch durch die Eigenschaften der Matrix (den Kunststoff, in den die Fasern eingebettet sind). Einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften: Festigkeit und E-Modul der verschiedenen vom Hersteller Toho Tenax angebotenen C-Faser-Typen gibt Bild 1. Es sind drei Gruppen bezüglich des E-Moduls zu unterscheiden, von denen die UMS- (Ultra-Hochmodul-) und die IMS- (Intermediate Modul-) Fasern, aufgrund ihrer aufwendigeren Herstellung deutlich teurer sind und deshalb nur für spezielle Anwendungen eingesetzt werden. Die ebenfalls eingetragenen Werte für Verstärkungs-Fasern aus E- und R- Glas sowie aus dem hochfestem Kunststoff Aramid machen die Vorteile der C-Fasern deutlich.

Die beschriebenen C-Fasern werden aus Polyacrylnitril-Fasern durch Verstrecken und Karbonisieren hergestellt und haben einen Durchmesser von nur 5-7 µm. Daher werden sie verdreht als Garn oder in Strängen (sog. Rovings) mit 3000, 6000, 12000 usw. Einzelfasern, auf Spulen gerollt, vertrieben und entweder direkt eingesetzt oder zu Geweben mit unterschiedlichen Bindungen bzw. Gelegen mit Lagen in verschiedenen Faser-Richtungen weiter verarbeitet.

Garne, Rovings, Gewebe und Gelege für den Verbundwerkstoff

Zur Herstellung des Verbundwerkstoffs müssen die C-Fasern zwecks Kraftübertragung zwischen ihnen mit einem Kunststoff als Matrix umgeben werden. Dazu dienen vorzugsweise Epoxidharze, da sie die beste Haftung an der Faser und damit eine gute Belastungsverteilung gewährleisten. Für hochwertige Bauteile werden Epoxidharze verwendet, die entweder bei 130 °C (bessere Zähigkeit und Bearbeitbarkeit) oder bei 180 °C (höhere Warmfestigkeit, aber spröderes Verhalten) unter einem Pressdruck bis 10 bar - auch normaler Luftdruck reicht schon aus - aushärten.

Aus C-Faser-Rovings werden nach Benetzen mit Matrixmaterial durch Pultrusion oder Wickeln auf einen Kern prismatische Halbzeuge, z.B. Rohre oder Winkel, sehr preisgünstig hergestellt. Sie werden unter Luftdruck im Vakuumsack oder im Autoklav ausgehärtet.

C-Faser-Gewebe oder –Gelege werden häufig nach Tränken mit dem Matrix-Harz entweder (bei geringeren Festigkeitsanforderungen) durch Handlaminieren (Auflegen der mit Harz getränkten Faser-Matten auf eine Negativform und Aushärten im Vakuumsack) oder im Nasspressverfahren (Aushärten in druckbeaufschlagter Form) verarbeitet. Bei größeren Stückzahlen erfolgt die Herstellung häufig mittels RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding), bei dem zugeschnittene C-Faser-Gelege in eine geschlossene Form eingebracht werden, die zunächst evakuiert, dann mit flüssigem Harz gefüllt und ausgehärtet wird.

Für hochwertige Bauteile werden meistens C-Faser-Prepregs (pre-impregnated fibres) eingesetzt. Diese werden üblicherweise als Rollenmaterial, vorgetränkt mit in der Regel 35% oder 40% Epoxidharz, entweder als Gewebe-Prepregs oder als UD-Prepregs (mit UniDirektionaler Ausrichtung der Fasern) in unterschiedlichen Dicken angeliefert. Sie werden in der für das Bauteil benötigten Form in den vom Konstrukteur festgelegten Faserrichtungen zugeschnitten, bis zur gewünschten Bauteil-Dicke übereinander gelegt und dann unter Pressdruck und Temperatur ausgehärtet.

Die Herstellungsbeispiele zeigen, dass sie vorzugsweise für geringe Stückzahlen geeignet sind. Die für einen breiteren Einsatz erforderliche Automatisierung ist z.Zt. noch nicht möglich. Verfahren dazu werden derzeit im Rahmen des „CFK Valley Stade“ einem Zusammenschluss CFK herstellender bzw. verarbeitender Firmen und auf diesem Gebiet arbeitender Forschungseinrichtungen entwickelt.

Die Herstellung von Faserverbundbauteilen unter Beachtung der Anisotropie

Die für den Konstrukteur sehr wichtige Besonderheit der Faser-Verbundwerkstoffe ist deren Anisotropie, d. h. die Richtungsabhängigkeit ihrer mechanischen Eigenschaften. So gelten die in Bild 1 angegebenen Werte nur in Längsrichtung der C-Fasern und es ist zu berücksichtigen, dass durch die Einlagerung der C-Fasern in die Matrix die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs beeinflusst werden. Zusätzlich wirkt sich bei abweichender Anordnung der Fasern von der Beanspruchungs-Richtung nur noch ein Teil auf diese aus, d.h. dass sich z.B. die Festigkeit des Verbundwerkstoffs nicht nur durch die Matrix sondern auch entsprechend dem abweichenden Faser-Anteil und dessen Lage zur Beanspruchungsrichtung vermindert. Dies sei an Tabelle 1 verdeutlicht. In ihr wird der Einfluss der Matrix Epoxydharz auf die mit der HTS-Faser aus Bild 1 erzielbaren Eigenschaften sowie deren Abhängigkeit von der Faserrichtung verdeutlicht.

Diese Tabelle verdeutlicht, dass die Ausnutzung der außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften nur bei Beachtung deren Richtungsabhängigkeit möglich ist. Will man, dass die Eigenschaften wie bei den metallischen Werkstoffen unabhängig von der Beanspruchungsrichtung sind, so lässt sich dies z. B. bei einer Platte nur durch eine Quasi-Isotropie, d.h. eine weitgehend regellose Anordnung der Fasern erreichen. Dann vermindern sich aber die Werte auf nur noch etwa 15% der jeweiligen Eigenschaft. Bei der Konstruktion eines Bauteils sollten also die Eigenschaften durch gezielten Aufbau des Werkstoffs den Anforderungen optimal angepasst werden, indem ein entsprechender Anteil der Fasern in Richtung(en) der jeweiligen Beanspruchung(en) gelegt werden. Dies erfordert zwar ein grundlegendes Verständnis für die Herstellung des Bauteils aus Verbundwerkstoff, ist aber leicht zu realisieren, wenn man bei der Konstruktion zunächst nur 0,35 mm dicke Gewebe-Prepregs mit 0°/90°-Faserrichtung bzw. UD-Prepregs mit 0,125 mm oder 0,25 mm Dicke verwendet.

Dies sei anhand von Bild 2 am Beispiel einer Platte erläutert, die aus UD-Prepreg-Lagen besteht und nahezu quasi-isotropes Verhalten aufweisen soll. Nach Zuschneiden der Lagen gemäß den angegebenen Winkeln werden diese übereinander geschichtet und dann unter Druck ausgehärtet. Als Außenschicht wird auf beiden Seiten vorteilhaft ein (hier nicht eingezeichnetes) Gewebe-Prepreg verwendet, da dieses eine verwebte Verbindung der 0°/90°-Fasern aufweist und damit eine festere Oberfläche gewährleistet.

Schichtwerkstoff mit CFK-Decklagen

Eine weitere Möglichkeit zur Gewichtseinsparung besteht in der Herstellung von Sandwich-Bauteilen, insbesondere Sandwich–Platten. Bei diesen werden gemäß Bild 3 auf einen Wabenkern aus Polyamid-Papier beidseitig mehrere Lagen aus C-Faser-Prepreg-Gewebe aufgebracht und dann unter Druck und Temperatur ausgehärtet. Dadurch kann z.B. bei Decklagen aus je 1 mm und 4 mm Wabenstärke, was zu einer Gewichtserhöhung von nur 4% führt, die Steifigkeit der Platte auf das 10fache und deren Biegefestigkeit auf das 5fache gesteigert werden.

Auch die Bearbeitung von CFK kann nicht mit den für Metalle üblichen Werkzeugen vorgenommen werden. Da dieser Werkstoff sehr abrasiv ist, sind nur Hartmetalle

(K 10), möglichst PKD-beschichtet, mit Spitzenwinkeln über 90° einsetzbar und hohe Schnittgeschwindigkeiten (z.B. Fräsen: > 10.000 U/min.) erforderlich.

CFK-Bauteile und Halbzeuge als Dienstleistung

Von HADEG Recycling können CFK-Bauteile jetzt ohne nennenswerte Einbußen der hervorragenden Eigenschaften wesentlich preiswerter hergestellt werden, so dass eine breitere Verwendung wirtschaftlich möglich wird. Die Preisreduktion gelingt der Firma durch den Einsatz von ihr zur Verfügung stehenden hochwertigen Prepreg-Resten aus der Flugzeugindustrie als Ausgangsmaterial. Weitere Einsparungen sind durch Anwendung von vereinfachten und damit kostengünstigen Herstellungsverfahren möglich. Außerdem bestehen Kontakte zu Firmen, die Erfahrungen mit der spanenden Bearbeitung von CFK haben und diese preiswert ausführen können. Weiterhin liegen Erfahrungen mit dem Einsatz von handelsüblichen und daher preiswerten CFK-Halbzeugen vor. So wird es möglich, dem CFK-Einsatz auch im Maschinenbau Anwendungen zu erschließen, die aus Kostengründen bisher nicht realisierbar waren.

* Prof. Dr.-Ing. Hans Ahlborn, Geschäftsführer HADEG Recycling

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