August 2016

Faserverbund(werk)stoffe

Faserverbundstoffe?

Die korrekte Bezeichnung ist eigentlich nicht Faserverbundstoff, sondern Faserverbundwerkstoff. Es handelt sich um verschiedene Gewebearten, die wiederum mit verschiedenen Verbundmitteln, einer sogenannten Matrix, miteinander verbunden werden. Bei der Matrix kann es sich z. B. um Harze verschiedener Härten (je nach Einsatzbereich) handeln, von niedrig bis hochtemperaturbeständig.
Die Arbeit, bzw. die Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen ist eine heikle Angelegenheit, da das Material, wie der Name schon sagt, ein Verbund aus mehreren Teilmaterialien ist.

Diese Gewebe können z. B. aus folgenden Materialien bestehen:

 – Karbongewebe (hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, stabil, gut zu verarbeiten, im Vergleich zu vielen anderen Geweben leicht)

 – Glasfasergewebe (geringe elektrische Leitfähigkeit, Isolator, hohe Lichtleitfähigkeit, Beständigkeit gegen Chemikalien sowie andere Umwelteinflüsse, nicht brennbar)

 – Aramidgewebe (= „Kevlar“; Isolator, leicht, fest, schlagzäh)

 – Naturfasergewebe (flexibel und reissfest, z. B. Flachsfaser)

 – Basaltfasergewebe (spröde, sonst sehr ähnlich Glasfaser)

Karbon-Laminate

Wir möchten näher auf die Verstärkung von Kunststoffen durch Karbongewebe eingehen, was ein sehr stabiles, gleichzeitig leichtes Material ergibt und umgangssprachlich Karbon (auch Carbon) genannt wird. Karbon/Karbongewebe ist ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), bei dem die Kohlestofffasern in eine Kunststoffmatrix, meist Epoxidharz, eingebettet sind, was auch die typische Gewebeoptik hervorbringt.

Die sich aus dem späteren Aushärten ergebende Steifigkeit mit der Fähigkeit zur hohen Aufnahme von Beschleunigungskräften in Verbund mit geringem Gewicht hat Karbon in vielen Produktkategorien sehr dominant gemacht. Von Angelruten, Fahrradrahmen, Sportartikeln über medizinaltechnische Produkte, Fahrzeugbau bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik – Karbon als Werkstoff  ist hier nicht mehr weg zu denken.

In puncto Verarbeitung gibt es wiederum verschiedene Varianten, deren „Hauptsäulen“ die Folgenden sind:

  1. Prepreg

    Prepreg ist ein bereits ab Werk mit Harz vorimprägniertes Gewebe und ist daher je nach Umgebungstemperatur beim Laminieren sehr klebrig. Um die Eigenschaften bis zur Verarbeitung zu erhalten, muss Prepreg bei ca. -18°C gelagert werden. Verwendung vorwiegend für Sichtbauteile.
  2. Nasslaminat

    Trockene Gewebe, die manuell bei der Verarbeitung mit  Harz getränkt werden. Für kleine bis mittlere Produktionsstückzahlen und grosse Bauteile geeignet.
  3. Injektionsverfahren

    Industrielles Verfahren, bei dem Harz in das Gewebe eingespritzt wird. In der Regel bei Massenproduktionen für hohe Stückzahlen.

Die Verarbeitung erfordert eine gewisse Aufmerksamkeit, denn um die Eigenschaften dieser erstaunlichen Materialien bestmöglich nutzen zu können gilt es, einige Regeln bei den einzelnen Verfahren zu beachten.

1.      Prepreg

Zu den bereits erwähnten Herausforderungen bei der Lagerung kommen noch einige Dinge bei der Verarbeitung zur Beachtung:

  1. je weniger Harz = umso leichter das Laminat

  2. je weniger Harz = umso hochwertigeres Gewebe, Richtwert: Ø 60% Fasergehalt, 40% Harz

  3. Materialaufbau erfolgt mit vorlaminierten Geweben und Druck-/Temperaturverfahren – Aushärtung z. B. im Autoklaven, wobei gilt: je höher der Druck, je kompakter und stabiler ist das Bauteil, gleichzeitig ist es auch hochwertiger. Ein Beispiel hierzu erklären wir später in diesem Artikel.

Prepreg

2      Nasslaminat

Das Trockengewebe wird mit Hilfe von Pinseln, Walzen oder Sprühpistolen „eingeharzt“. Durch die genaue und feine Verarbeitung mittels Handarbeit werden die Bauteile ebenso wie Prepreg-Bauteile oftmals im Sichtbereich eingesetzt: man nennt sie daher auch direkt Sichtbauteile.
Zu beachten:

  1. Die Schwierigkeit besteht in der Dosierung, bzw. dem gleichmässigen Auftragen des Harzes, um ein optimales Bauteil zu erhalten

  2. Das Gewebe ist teilweise sehr steif und damit schwerer zu behandeln als Prepreg.

  3. Da oftmals nicht so präzise wie mit Prepreg gearbeitet werden kann, ist dies eher ein Verfahren für schnelle Tests und Einzelteile

3      Injektionsverfahren

Da dies ein recht aufwendiges und anspruchsvolles Verfahren ist, welches sowohl die entsprechenden Maschinen zur Automatisierung, als auch die entsprechende Infrastruktur erfordert, eignet sich diese Art der Herstellung in erster Linie für Massenproduktionen.
Folgende Voraussetzungen und Gegebenheiten sind ausschlaggebend:

  1. Die Produktion ist ein geschlossener Prozess (emissionsarm)

  2. Die Bauteile können sehr komplex sein

  3. Die Bauteile sollten der Endform weitestgehend entsprechen und wenig Nachbearbeitung erfordern

  4. Die Oberflächenqualität muss hochwertig sein

  5. Hohe Stückzahlkapazität mit gleichbleibender Qualität; wenig bis keine Fertigungstoleranzen

  6. Bearbeitung von trocken Rohteilen (Faserhalbzeuge) und Harzen mit geringer Viskosität, dabei hohe Faservolumenanteile möglich

  7. Zyklusdauer ergibt sich nach den Injektions- und Aushärtezeiten

Graphik Aufbau Vakuuminfusion: mit freundlicher Genehmigung von www.hp-textiles.com

 
Unser Projekt: Reisegepäck

Wir möchten etwas näher auf Prepreg eingehen – Gimelli Engineering AG entwickelt und baut mit Schwerpunkt Prepreg Kofferschalen für die Firma Swiss Luggage SL AG.
Diese Arbeit möchten wir Ihnen näher bringen.

Die Herstellungsanforderungen und der Ablauf

  1. Ein Urmodell muss hergestellt werden (Vorstufe: Werkzeugherstellung)

  2. Ein Abdruck (Negativform), ggf. mit Stichellinie, d. h. mit einer Führungslinie für spätere Schnitte, muss erstellt werden (= Laminier-Werkzeug)

  3. Ein Silikonsack (eigentlich eine Silikonmatte) zum Verdichten/Vakuumieren/Aushärten (Autoklav) muss hergestellt werden, alternativ kann je nach Bauteil eine Vakuumfolie verwendet werden.

  4. Der kritischste Punkt ist nun das Legen des Laminats/Prepreg, denn hier ist unbedingt die Lagenaufbaubestimmung einzuhalten, d. h. die Faserrichtung:
    0/90° = feste Lage, +/- 45° = formbare, flexible Lage (siehe Graphik unten).
 

Je nach Bauteil sind entsprechend viele Lagen von Fasergewebe nötig. Ausserdem empfiehlt sich unbedingt ein symmetrischer Lagenaufbau (aussen = innen), um einen Verzug des Bauteils zu verhindern.

 


Der Aufbau erfolgt im Querschnitt von innen nach aussen (siehe Graphik „Lagenaufbau Querschnitt“)

5.      Autoklav-Präparation

Das Laminat wird nun im Werkzeug eingelegt, Trennfolie und Abreissgewebe (wird bauteilspezifisch verwendet oder weggelassen) werden angebracht, Vlies als luftabführendes Material aufgelegt, perforierte (Loch-) Folie und Saugvlies werden aufgelegt und schlussendlich wird das Ganze mit einer Verpackungs-/Vakuumfolie umschlossen oder dem speziell für diese Form hergestellten Silikonsack (wiederverwendbar und für höhere Stückzahlen) abgedeckt (siehe Graphik). Über die Vakuumpumpe wird das Bauteil nun entlüftet.

 

Links:
Verpackungslagenaufbau einer Kofferschale (Ecke)

 

 Rechts:
Einlegen der Verpackungslagen in das Werkzeug

 

6.     Autoklav-Zyklus

Je nach Bauteil-Verwendungszweck und Qualitätsanspruch im späteren Einsatzbereich wird im Autoklav unter Wärmezufuhr, Druck und Vakuum ausgehärtet. Je mehr Lagen aufgebaut werden, umso mehr ist das Zusammenspiel dieser 3 Komponenten entscheidend für das Ergebnis. Man beachte auch die Datenblätter der Hersteller zur Aushärtezeit.

Oben: Autoklav-Zyklus (Temperaturkurve) schematisch

Unten: kleiner und grösserer Autoklav (Bildquelle: Lu-Chen-Composite)

7.      Fertigstellung

Nach dem Aushärten/Abkühlen wird das Bauteil sorgfältig vom Werkzeug entformt und zur weiteren Verarbeitung freigegeben (konturgerecht schneiden mit Spezialwerkzeugen, z. B. Diamantschleifer und –bohrer, entgraten, lackieren, zusammenbauen, etc.).

Bild: Bearbeitung einer im Autoklav fertiggestellten Kofferschale durch einen Roboter

Fazit:

Es gibt also diverse potentielle „Stolpersteine“, die im Verlauf der Verarbeitung auftauchen können und deren Vermeidung im vornherein überdacht und geplant sein muss.
Laminate, in unserem Fall speziell die Karbon-Laminate, sind interessante und stabile Werkstoffe, die man mit entsprechenden Kenntnissen und Vorbereitungen sehr gut verarbeiten kann.
Die funktionellen und optischen Anforderungen an das Produkt sind dabei ausschlaggebend für die Wahl des Herststellungsprozesses und den Lagenaufbau.