Handbuch Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe kommen heute in einer Vielzahl von Anwendungen für die unterschiedlichsten Branchen zum Einsatz und sind aus dem täglichen Leben kaum wegzudenken. Eine besondere Stellung nehmen dabei die Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) ein, die mehr und mehr konventionelle, unverstärkte Kunststoffe und Metalle ersetzen und zu erheblichen technischen und wirtschaftlichen Produktver-besserungen führen.

Faserverbundwerkstoffe bieten synergetisch eine Kombination der positiven Eigenschaften von mindestens zwei Materialien, nämlich Fasern und Matrix. Dabei können unterschiedliche Fasern mit verschiedenen Matrizes kombiniert werden. Die Fasern mit hoher Steifigkeit und Festigkeit übertragen die Lasten und bilden die Verstärkungskomponente. Die Funktion der Matrix ist der Schutz der Fasern gegen äußere Einflüsse und sie fixiert die Fasern in ihrer Position. Die Grenzfläche zwischen der Matrix und den Fasern bewirkt, dass die Last von der Matrix in die tragenden Fasern eingeleitet wird. Diese „Interphase“ hat daher besondere Bedeutung für die mechanischen Eigenschaften und das Langzeitverhalten des Verbundwerk-stoffs.

Neben der direkten Verwendung der Verstärkungsfasern in Form von Multifilamenten oder Rovings in der Prepregtechnologie, der Direktimprägnierung, dem Wickeln und der Pultrusion werden insbesondere für anspruchsvollere Teile der Verkehrstechnik und des Maschinenbaus als Zwischenstufe textile Halbzeuge eingesetzt. Typische Vertreter sind die Gewebe und zunehmend die Gelege [1], [2], [3].

Wie in den vorherigen Kapiteln bereits erwähnt, trägt die Faserverstärkungsstruktur eines FKV-Bauteils maßgeblich zu dessen Eigenschaftensprofil bei. Des Weiteren befindet sich die Form und Art der Bereitstellung der Fasern in enger Wechselwirkung mit einer geeigneten Prozesstechnik zur Bauteilherstellung. Die Bereitstellung des Fasergerüsts bzw. der Preform definiert somit die Auswahl und Reihenfolge der Prozessschritte und letztenendes die Produktionszeit und -kosten. Unter einer Preform oder einem textilen Vorformling versteht man eine noch nicht imprägnierte Faserstruktur, die, bereits orientiert am gewünschten Faseranteil des Bauteils, in die vorgegebene Orientierung gebracht und fixiert wurde. Diese wird anschließend in einem Verarbeitungsverfahren mit einer Matrix imprägniert und somit in ein konsolidiertes FKV-Bauteil überführt.

Mit thermoplastischer oder duroplastischer Matrix vorimprägnierte, ebene, flächige Halbzeuge werden allgemein als Prepregs bezeichnet (preimpregnated material). In ihrer ursprünglichen Form handelte es sich um 1960 von der Fa. Boeing entwickelte, unidirektional verstärkte duroplastische Harze für die Herstellung von Strukturbauteilen in Flugzeugen. Diese neue Werkstoffgruppe hat sich dann sehr schnell durchgesetzt und dominiert, auch heute noch, beim Einsatz von Faserverbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt. Seit etwa 1980 wurden auch entsprechende Halbzeuge auf der Basis thermoplastischer Harze eingeführt.

Um den Einsatzbereich und die Anforderungen an neu zu entwickelnde Verarbei-tungsverfahren analysieren und quantifizieren zu können, muss die Rolle der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) im Hinblick auf die Einsatzfelder und die jeweiligen, aktuellen Entwicklungen, in deren Umfeld sich die FKV-Produkte zu bewähren haben, näher beleuchtet werden. Der Kunde erwartet eine Produktqualität zu einem geringen Preis und stellt zudem deutlich höhere Ansprüche an Funktionalität, Sicherheit, Komfort und Umweltverträglichkeit. Betrachtet man das politische und ökologische Umfeld, so nimmt dieses durch Vorgaben zur Energie- und Ressourcenschonung und Emissionsminderung entscheidenden Einfluss auf Produkte und Produktionsstrukturen [1]. Am 01. 04. 1998 trat beispielsweise die EU-Altautoverordnung in Kraft, die um die kostenlose Entsorgung von Altfahrzeugen durch den Hersteller erweitert wurde und so nachhaltig Einfluss auf die Materialauswahl für zukünftige Produkte im Transportwesen Einfluss genommen hat. Einen ähnlichen Effekt wird die europaweit in Kraft getretene REACH-Verordnung (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) auf die Weiterentwicklung der Matrixsysteme und Prozess-hilfsstoffe haben (siehe auch Kapitel 16 „Arbeitssicherheit”).

Der Begriff Bauweise bezeichnet die Art des Bauens von technischen Strukturkom-ponenten und -systemen und umfasst daher alle Überlegungen und Entscheidungen zur Auslegung und Realisierung der Struktur mit vielfältigen Wechselwirkungen. Beispielsweise sind dies die Auswahl geeigneter Werkstoffhalbzeuge und angepasster Herstellverfahren, die Dimensionierung und Konstruktion, die Bereitstellung von Montage- und Demontagemöglichkeiten in Struktursystemen, die Berücksichtigung von Qualitätssicherungs-, Wartungs- und Reparaturgesichtspunkten, die Abschätzung des Verhaltens im Betrieb und die wirtschaftliche Bewertung. Strukturen sind Teile eines technischen Systems, die mechanische Lasten übertragen.

Die Autoklaventechnik wurde bereits um 1900 für die Verarbeitung von Artikeln aus Kautschuk und Gummi eingesetzt, seit den frühen 60er Jahren auch für Verbundwerkstoffe. In Verbindung mit der noch dominierenden Verwendung unidirek- tional verstärkter duroplastischer Tapes für großflächige Bauteile in der Luft- und Raumfahrt wird sie heute auch für das Herstellen von Teilen im Motorsport und für den Freizeitbereich, zunehmend aber auch für den Maschinenbau verwendet. Kennzeichnend für diese universell einsetzbare Verarbeitungstechnik ist, dass damit nahezu beliebig geformte Bauteile aus FKV in höchster Qualität und mit gezielt einstellbarer Faserorientierung gefertigt werden können. Auch das Einlegen von Inserts und Sandwichkernen ist möglich.

Die Pultrusion, auch als Strangziehverfahren bezeichnet, ist ein Prozess zur kontinuierlichen und damit großserientauglichen Herstellung von FKV-Endlosprofilen mit konstantem Querschnitt [1]. Der Querschnitt kann dabei eine hohe Formkomplexität besitzen. Weitere Merkmale der Pultrusion sind eine geringe Abfallrate, hohe Produktivität und damit sehr gute Wirtschaftlichkeit, die durch eine hohe Qualität und Reproduzierbarkeit zusätzlich gestützt werden. Bei allen Varianten der Pultrusionstechnik werden die Matrix und die verstärkenden Fasern im gewünschten Mischungsverhältnis zusammengeführt, durch ein formgebendes Werkzeug gezogen, in dem die Konsolidierung und Verfestigung der Matrix erfolgt und auf der damit formstabilen Seite am Auslauf des Werkzeugs von einer Zieheinheit einer Konfektionierung zugeführt (Bild 9.1). Der Prozess wurde von W. Brandt Goldsworthy, dem Pionier der Pultrusionstechnologie, im Jahre 1951 zum Patent angemeldet und von ihm und anderen weiter entwickelt. Erste praktische Anwendungen von Profilen sind ab etwa 1960 zu finden, wo einfache Profile zur Verstärkung einer Betonstruktur erfolgreich eingesetzt wurden [2]. Anfänglich wurde der Prozess fast ausschließlich zur Verarbeitung von glasfaserverstärkten ungesättigten Polyester-harzen eingesetzt. Heute kommen ein Großteil der Palette der duroplastischen Harze und auch thermoplastische Matrixsysteme zum Einsatz. Auf der Verstär-kungsseite kommen neben den Glasfasern die weiteren üblichen Typen wie Kohlenstoff-, Natur- und Aramidfasern in die Anwendung. Nach zunächst nur relativ einfachen Profilquerschnitten sind mittlerweile auch sehr komplexe Geometrien durchaus üblich. Neben der allgemein üblichen Fertigung von in Längsrichtung nicht gekrümmten Profilen ist auch die Herstellung von Profilen mit konstanter Krümmung möglich.

Die Wickeltechnik ist ein Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Körpern. Erste Versuche zur Faserverstärkung von Bauteilen mittels der Wickel-technik wurden bereits vor rund 60 Jahren unternommen. Die heute noch genutzte Methode mit vorwiegend Glas- und Kohlenstofffasern wurde ab 1947 durch die Young Development Labs. in Princeton, Kanada vorangetrieben. Hier wurden in der Folgezeit auch die ersten kommerziell erhältlichen Wickelanlagen hergestellt. Eine Serienfertigung entstand danach bei McClean-Anderson ab 1961 in den USA. In Europa nahm die Firma EHA Composite Machinery GmbH (gegründet als Bolenz & Schäfer) in Deutschland die Produktion 1965 auf. Im Lauf der Zeit wurden die Anlagen auf Einzelmotoren umgestellt, die auch eine freie Wahl veränderlicher Winkel ermöglichten [1]. In den letzten Jahren werden immer häufiger roboterbasierte Wickelanlagen eingesetzt. Automatisierte Wickelanlagen mit Mehrachsspindeln und automatisierter Wechselfunktion sind in der Lage, Druckbehälterserien (> 100 000 Stück pro Jahr) vollautomatisch herzustellen.

Die Harzinjektionsverfahren oder Liquide Composite Molding haben sich bereits seit Jahren aufgrund des geringen Investitionsaufwandes und einer nahezu unbegrenzten Prozessvariabilität zu einer weit verbreiteten Verfahrensgruppe zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen entwickelt. Der Einsatz im Bereich der Luftfahrt ist nach wie vor aufgrund der extrem hohen Qualitätsansprüche schwierig und nur wenige Bauteilkomponenten werden mit Harzinjektionsverfahren gefertigt. In den letzten 5 Jahren hat es jedoch im Automobilsektor einen wahren CFK Hype gegeben. Das bevorzugte Verfahren ist das Resin Transfer Molding (RTM) und Variationen davon. Die Prozesszykluszeiten konnten durch diese Entwicklungen maßgeblich reduziert werden. Zudem werden endlosverstärkte Faserkunststoffver-bundbauteile, die in Harzinjektionsverfahren gefertigt wurden, in vielen weiteren Produkten in der Energietechnik (bsp. Rotorblätter für Windkraftanlagen) und im Maschinenbau eingesetzt.

In Kapitel 5 wurde die Herstellung sowohl duroplastisch als auch thermoplastisch imprägnierter Halbzeuge sowie deren Aufbereitung zur Weiterverarbeitung vorgestellt. Dieses Kapitel befasst sich nunmehr mit dem eigentlichen Formgebungsprozess und setzt voraus, dass die Werkstoffe dem Pressprozess entsprechend aufbereitet wurden.

Pressverfahren (Umformen und Fließpressen) stellen unabhängig von dem zu verarbeitenden Werkstoff deshalb auch nicht nur für Kunststoffe die am weitesten verbreiteten Verarbeitungsverfahren dar. Gerade zur Herstellung von FKV-Bauteilen in großen Stückzahlen sind die Pressverfahren geeignet. Sie zeichnen sich durch eine hohe Reproduzierbarkeit auch enger Toleranzen aus, die Fertigung ist weitgehend automatisierbar und die Taktzeiten sind gering. Dies zeigt sich vor allem bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung als positiver Faktor.

Faserverstärkte Kunststoffe werden in urformenden und umformenden Fertigungsverfahren verarbeitet, in denen der anisotrope, heterogene Verbund seine endgültige Zusammensetzung und damit seine Eigenschaften erhält. Obwohl FKV-Bauteile häufig endformnah gefertigt werden, sind in der Regel Nachbearbeitungsschritte durchzuführen. Verarbeitungsbedingt ist oftmals die Umrissbearbeitung, z. B. durch Stanzen oder Fräsen, notwendig. Unzureichende Oberflächenqualität ist beispielsweise durch Fräsen, Drehen oder Schleifen zu verbessern. Eine weitergehende Oberflächenveredelung wird häufig aus ästhetischen, aber auch funktionalen Gründen benötigt und z. B. durch Lackieren oder Beschichten erreicht. Krafteinleitungselemente sind vielfach erst nach der Bearbeitung durch spanende Verfahren im Bauteil zu integrieren. Die Trennung von kontinuierlich hergestellten Profilen und Halbzeugen erfolgt meistens durch Sägen.

Die Auseinandersetzung mit der effektiven, effizienten und nachhaltigen Gestaltung von Produktherstellungsprozessen erhält vor dem Hintergrund schwindender, natürlicher Ressourcen und steigenden Kostendrucks für viele Unternehmen einen immer höheren Stellenwert. Viele Unternehmen werden in den letzten Jahren durch eine zunehmende Internationalisierung und einer damit verbundenen Erstarkung vor allem asiatischer, osteuropäischer und südamerikanischer Wirtschaftsregionen mit einer zunehmenden Konkurrenzsituation konfrontiert.

Ein zentrales Aufgabengebiet für jede Werkstoffgruppe, die sich neue Einsatzbereiche erschließen will und somit in direkter Konkurrenz zu anderen Materialien steht, stellt die Verbindungstechnik dar. Die Verbundwerkstoffe können dabei von einer Reihe von Verfahren profitieren, die zunächst für Metalle und auch unverstärkte Kunststoffe entwickelt wurden. Sie werden meist in die Kategorien der mechanischen oder der thermischen Verfahren unterschieden. Im Hinblick auf die zunehmende Bedeutung von Mischbauweisen, vor allem in der Verkehrstechnik und damit der Berücksichtigung von Reparaturverfahren, kann man auch eine Einteilung in lösbare und nicht lösbare Verbindungen vornehmen, Bild 15.1.

Das Thema Arbeitssicherheit hat in der industriellen Fertigung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei handelt es sich um ein höchst komplexes Fachgebiet, das einen Bogen spannen muss von der Auswahl geeigneter persönlicher Schutzausrüstungen für die Mitarbeiter bis hin zur Betriebssicherheit von Maschinen und Anlagen. Darüber umfasst die Arbeitssicherheit auch den vorbeugenden Gesundheits- und Umweltschutz, bei dem es um die interdisziplinäre Zusammenarbeit im Betrieb geht.

Alle formgebenden Verfahren der Verarbeitung von FKV benötigen Werkzeuge, mit denen die vorgesehene geometrische Gestalt des Bauteils exakt abgebildet werden kann. Dabei bestimmen die technischen Spezifikationen des Bauteils, einschließlich der zu verwendenden Werkstoffe, und die geplanten Stückzahlen den Aufwand für die Herstellung und den Betrieb der Werkzeuge. Deren Spektrum reicht von einfachen, einseitigen, von Hand gefertigten Werkzeugen aus Gießharzen oder Verbundwerkstoffen bis zu beheizten Stahlwerkzeugen mit Schiebern und verchromten, hochglanzpolierten Oberflächen für Teile im Sichtbereich von Kraftfahrzeugen. Im Folgenden soll ein Überblick zu der Thematik gegeben werden, der das grundlegende Verständnis unterstützt und sich an den jeweiligen Verarbeitungsverfahren orientiert, aber wegen der Breite der Thematik nicht umfassend sein kann. Für eine Vertiefung wird auf die angefügten Quellen verwiesen.