Fachwissen

Genau so wie es verschiedene Stahlsorten gibt, gibt es auch unterschiedliche Faserverbundwerkstoffe. Die nachfolgende Aufstellung ist nicht vollständig, zeigt aber auf, welche Bandbreiten wir abdecken können. Erwarten Sie hier keine Wissenschaftliche Abhandlung. Dafür gibt es die Fachliteratur. Wir wollen Ihnen an dieser Stelle aber eine erste Idee zu Einsatzmöglichkeiten geben.

Faserverbundbauteile

Grundsätzliches

Faserverbundwerkstoffe weisen einige Vorteile gegenüber anderen Materialien auf. Sie sind zwar nicht günstig. Im richtigen Bereich eingesetzt, bieten sie jedoch Materialeigenschaften, die von anderen Werkstoffen so nicht erreicht werden können. Dadurch haben sie das Potential, erheblich zum wirtschaftlichen Vorteil beizutragen.

Folgende Vorteile können Faserverbundwerkstoffe bieten:

Hohe mechanische Festigkeit bei geringem Gewicht
Designfreiheit für individuelle Formen
Hochwertige, lackierbare Oberflächen
Hohe Bruchsicherheit
Steuerbare Brandschutzeigenschaften
Beständigkeit in korrosiven Umgebungen
Witterungsbeständigkeit
Niedrige Wärmeleitfähigkeit
Elektrische Isolationswirkung
Wirtschaftlich in Transport und Handling
Einfach vor Ort anzupassen

Füllstoffe

Es gibt unterschiedliche Gründe, Füllstoffe in Faserverbundbauteilen einzusetzen. Mit Füllstoffen können die mechanischen, optischen, thermischen und elektrischen Werte beeinflusst werden. Füllstoffe werden dem flüssigen Harzgemisch beigemengt. Kreide als Füllstoff wird z. B. häufig eingesetzt, um Kosten zu reduzieren. Aluminiumhydroxid dient der Verbesserung der Flammschutzeigenschaften und des Brandverhaltens. Hohlglaskugeln können die Dichte und damit das Gewicht des Faserverbundbauteils verringern. Mit Graphit kann die elektrische Leitfähigkeit eines GFK-Bauteils geändert werden. Ruß färbt das Matrixharz schwarz und dient dem UV-Schutz.

Farbpigmente

GFK-Handlaminate können mit einem sogenannten Gelcoat versehen werden. Das ist die erste Schicht, die in die GFK-Form eingespritzt wird und bereits die Farbschicht darstellt. Erst dann werden weitere Schichten mit Glasfaser und Matrixharz aufgetragen. Das entformte Bauteil hat dann gleich schon eine gefärbte, glatte Oberfläche.

Bei Pultrusionsprofilen können die Farbpigmente der flüssigen Matrixharzmischung beigegeben werden. Hier ist zu berücksichtigen, dass die Glasfasern die Farbpigmente nicht annehmen. Eingefärbt wird also das Matrixharz. In einem Matrixharz, das schwarz eingefärbt ist, wird man also beim fertigen GFK-Profil immer auch helle Glasfasern durchschimmern sehen. Je heller die zugegebenen Farbpigmente sind, umso gleichmäßiger sieht das Profil aus.

Um eine optisch perfekte Oberfläche zu erzielen, können die GFK-Bauteile im Nachgang grundiert und lackiert werden. Dies wird vor allem bei Verkleidungsteilen z. B. im Bus- und Bahnbereich gemacht – sowohl im Innenbereich (z. B. Strukturlacken) als auch im Außenbereich, wobei hier auch wasserbasierte Lacksysteme eingesetzt werden können.

UV- und Witterungsbeständigkeit

Die UV- und Witterungsbeständigkeit von GFK-Profilen kann an die Kundenbedürfnisse angepasst werden.

Unsere GFK-Standardprofile für den Bereich der GFK-Sonderkonstruktionen – z. B. Laufstege, Treppen – sind von Hause aus mit einem gewissen UV- und Witterungsschutz und mit einer sehr geringen Feuchtigkeitsaufnahme ausgestattet. Auch sind diese Profile mit einer harzreichen Deckschicht und einem Polyestervlies versehen. Sollte eine erhöhte UV-Strahlung über die Jahre die harzreiche Deckschicht doch reduzieren und das Polyesterflies sichtbar werden lassen, so können die GFK-Profile recht einfach überstrichen werden. Die mechanische Tragfähigkeit bleibt erhalten.

In Außen- und Innenverkeidungsteilen in Fahrzeugen werden GFK-Bauteile mit einer sehr ebenen Oberfläche eingesetzt, die speziell dafür vorgesehen ist ist, nachträglich lackiert zu werden. Diese glatte Oberfläche wird durch die Zugabe eines Low-Profile-Additivs erreicht, das dem Schrumpf des Profils im Werkzeug entgegenwirkt. Das Low-Profile-Additiv weist eine erhöhte Wasseraufnahme auf, so dass diese Bauteile zwingend allseits lackiert werden müssen, um eine Wasseraufnahme zu vermeiden. Bus-Seitenwandbeplankungen, die auf diese Art erstellt und lackiert wurden, sind selbst für den Fachmann nur sehr schwer von lackierten Aluminium- oder Blechseitenwänden zu unterscheiden.

Brandeigenschaften

Durch die entsprechende Harzauswahl und die Zugabe von z. B. Aluminiumtrihydroxid können die Flammschutz- und Brandschutzeigenschaften gezielt positiv beeinflusst werden. Wir haben schon Bauteile geliefert, die den folgenden Brandschutzklassen entsprochen haben:

EN45545 HL2 / HL3
DIN 5510 S4 SR2 ST2
BS 6853 Cat 1b
diverse NF-Nomen

Die Erfüllbarkeit des Brandschutzes kann sowohl von der Geometrie und Wandstärke des Bauteils als auch von den mechanischen Werten und weiteren Eigenschaften abhängig sein. Sprechen Sie uns an, dann können wir die Details für Ihr Projekt klären.

Faserverbundwerkstoffe

Genau so wie es unterschiedliche Stahlsorten gibt, gibt es auch unterschiedliche Faserverbundwerkstoffe. Die nachfolgende Aufstellung ist nicht vollständig, zeigt aber auf, welche Bandbreiten wir abdecken können. Sie finden hier keine wissenschaftliche Abhandlung. Dafür gibt es die Fachliteratur. Wir wollen an dieser Stelle aber eine erste Idee zu Einsatzmöglichkeiten geben.

Matrixharze

Bei allen hier vorgestellten Harzsystemen handelt es sich um Duroplaste. Das sind Werkstoffe, die unter Hitze aushärten, danach aber nicht wieder aufschmelzbar sind.

Ungesättigte Polyesterharze

Diese Harzsysteme werden sehr häufig bei Faserverbundbauteilen eingesetzt. Sie lassen sich gut verarbeiten und sind günstiger als die meisten andere Harzsysteme.

Vinylesterharze

GFK-Produkte auf Basis von Vinylesterharzen werden dort eingesetzt, wo eine höhere, chemische Beständigkeit benötigt wird. Um die chemische Beständigkeit im konkreten Fall besser abschätzen zu können, sprechen Sie uns bitte an. Dabei ist wichtig zu wissen:

Über welchen Zeitraum wird das GFK-Bauteil dem Medium ausgesetzt?
Welche Konzentration hat das Medium?
Wie warm ist das Medium?
Gibt es regelmäßige Reinigungsarbeiten? Wenn ja, welche?
Was ist die geplante Einsatzzeit?
Wie genau wird das GFK-Bauteil eingesetzt? Ein Beispiel: Salzsäure bei 20 % Konzentration und 24 °C Temperatur, wobei das GFK-Bauteil über einen Zeitraum von 10 Jahren ca. 20 cm über dem Säurebecken angebracht ist, als Laufsteg genutzt wird und max. 3 Personen tragen muss.

Epoxidharze

Epoxidharze besitzen gute mechanische Eigenschaften sowie gute Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Sie werden gerne für Bauteile in der Elektrotechnik oder Elektronik eingesetzt. Im Vergleich zu Polyesterharzen sind Epoxidharze oftmals teurer.

Polyurethanharze

Bauteile auf Basis von Polyurethanharzen erzielen eine sehr gute Flexibilität. Ein GFK-Profil auf Basis eines Polyurethanharzes kann z. B. im Vergleich zu einem ähnlich aufgebauten Polyesterharzprofil deutlich stärker gebogen werden, bevor es bricht.

Phenolharz

Bauteile auf Basis von Phenolharzen weisen von Hause aus höhere Brandschutzeigenschaften aus, als die hier genannten anderen Harzsysteme.

Fasern

Die unterschiedlichen Fasern, als auch die räumliche Orientierung, haben erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils. Nachfolgend ein paar Leitinformationen:

Glasfasern

Diese aus geschmolzenem Glas fein gesponnenen, annähernd runden Fasern gibt es als E-Glas-, R-Glas- und C-Glasfasern. Glasfasern haben eine relativ hohe Festigkeit in Längsrichtung. Die auf die Glasfaserfilamente aufgetragene Schlichte sorgt für die Haftvermittlung zur Harzmatrix und schützt die Oberfläche.

Basaltfasern

Aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit und Steifigkeit werden Basaltfasern gerne als versteifendes Element zusätzlich in glasfaserverstärkten Kunststoffprofilen eingesetzt, wenn z. B. die Kräfte beim Ziehen der Profile sehr hoch werden. Der Preis von Basaltfasern liegt deutlich über dem von E-Glasfasern.

Kohlenstoff-Fasern (Carbon)

Um die mechanische Festigkeit von Faserverbundbauteilen um ein Vielfaches zu erhöhen, können Carbon-Fasern eingesetzt werden. Gleichzeitig sind Bauteile aus Carbonfasern deutlich leichter als entsprechende Glasfaserbauteile. Aus diesem Grund werden sie eher im Rennsport und in der Flugzeugindustrie eingesetzt. Produkte aus Carbonfasern sind deutlich teurer als Produkte aus anderen Faserverbunden. Um gezielt die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, gleichzeitig aber die Kosten im Griff zu haben, ist es auch möglich, in glasfaserverstärke Bauteile gezielt an bestimmten Stellen additionell Carbonfasern einzuarbeiten. Durch diesen Materialmix kann unter Berücksichtigung der Kosten die Kundenanforderung sehr gezielt erfüllt werden.

Naturfasern

Auch der Einsatz von Naturfasern in Faserverbundbauteilen ist grundsätzlich möglich. Schwierigkeiten entstehen durch die eher schwankenden mechanischen Eigenschaften. Die geringe Dichte spricht dabei für die Eignung als Leichtbau-Rohmaterial. Da andere Fasern technisch deutlich prozesssicherer eingesetzt werden können, sind Naturfasern aktuell nur selten anzutreffen.

Weiterverarbeitung der Fasern

Die Fasern werden weiterverarbeitet, um gezielt die Eigenschaften des GFK-Bauteils zu beeinflussen.

Rovings

Rovings bestehen aus einem Bündel von z. B. einzelnen Glasfasern. Die Rovings sorgen für eine gute Handhabbarbeit, Spannungsgleichheit innerhalb des Stranges, geringen Abrieb und geringe Ausfaserung sowie eine entsprechende Geschmeidigkeit. Sie werden oftmals auf zylindrischen Spulen mit Innen- oder Außenabzug gewickelt, um diese z. B. in einer Pultrusionsanlage verarbeiten zu können.

Glasfasermatte

Glasfasermatten bestehen aus Endlosglasfäden, die wirr auf einer Fläche abgelegt und mittels Bindemitteln durchsetzt werden. Dieses Bindemittel wird aufgelöst, wenn es mit dem Styrol des Polyesterharzes in Kontakt kommt. Die Glasfasermatten können sehr gut den Konturen eines Bauteils angepasst werden. Sie sind typischerweise etwas günstiger als Verstärkungsgewebe. Sie unterscheiden sind unter anderem durch ihr Flächengewicht, wobei die gängigsten Sorten die 300g/m² bzw. 450 g/m² Matte sind.

Glasfilamentgewebe

Hier werden die einzelnen Glasfasern miteinander verwoben, um ein echtes Gewebe herzustellen. Die Fasern kreuzen sich typischerweise im 90°-Winkel. Durch die Engmaschigkeit ergeben sich unterschiedliche Gewebe wie z. B. Leinwandbindung, Köperbindung, Atlasbindung. Die Festigkeit in den unterschiedlichen Raumrichtungen eines Faserverbundbauteils können weiter beinflusst werden, indem die einzelnen Gewebe in einem Winkel zueinander geschichtet werden.

Abreißgewebe

Möchte man z. B. erreichen, dass die Oberfläche eines Bauteils an einer bestimmten Stelle oder in einem bestimmten Bereich sauber und klebfähig ist, ohne vorher reinigen und schleifen zu müssen, so kann hier Abreißgewebe eingesetzt werden. Direkt vor der Verklebung wird das Abreißgewebe (ein Textilgewebe) einfach vom Bauteil heruntergerissen. Damit liegt eine saubere, trockene und fettfreie Oberfläche vor, auf der direkt verklebt werden kann.

Vliesstoffe

Vliesstoffe werden gerne eingesetzt, um die Oberfläche eines GFK-Bauteils zu vergüten. Das Vlies verhindert, dass z. B. Glasfasern der Matten, Gewebe und Rovings bis an die Oberfläche drücken. Dadurch ist es möglich, eine harzreiche Deckschicht zu erzeugen.

Herstellverfahren

Handlaminate

Handlaminieren ist ein sehr einfaches Verfahren zur Herstellung kleiner Stückzahlen von Faserverbundbauteilen. Die Basis ist eine offene Werkzeugform, in die zuerst ein Trennmittel eingebracht wird. Im nächsten Schritt wird die Gelcoat-/Deckschicht aufgetragen und abgewartet, bis eine entsprechende Härte erreicht wurde. Danach werden die Vlies- und Glasfasermatten bzw. Gewebe lagenweise eingelegt und mit Laminierharz benetzt. Mittels Rollen werden die Matten angedrückt und das Laminierharz wird entlüftet. Nach dem Aushärten des Laminats kann noch eine Topcoat-Schicht aufgebracht werden. Diese deckt die letzte Faserlage ab und dient als Verschleiß- bzw. Verwitterungsschutz.

Bei Handlaminaten gibt es eine „Gut-Seite“ und eine „Schlecht-Seite“. Die Wandstärke kann durch den manuellen Prozess schon im Bereich einiger Millimeter schwanken. Auch ist die Gesamtqualität des Bauteils erheblich vom handwerklichen Geschick der verarbeitenden Person abhängig.

Harzinjektionsverfahren (RTM)

Das Harzinjektionsverfahren (RTM-Verfahren) dient zur Herstellung von lang- und endlosfaserverstärkten, flächigen Bauteilen in kleinen und mittleren Serien. Das üblicherweise 2-schalige Werkzeug sorgt dafür, dass beide Oberflächen eine gute Qualität vorweisen können. Dabei werden die vorgeschnittenen und ungetränkten Fasermatten in das Werkzeug eingelegt. Nach dem Schließen des Werkzeuges wird das reaktive Harzsystem durch Erzeugung von Unterdruck in das Formnest injiziert. Nach dem Aushärten kann das Bauteil aus dem Werkzeug entnommen werden.

Es gibt einige Unterformen des RTM-Verfahrens, wie z. B. das RTM-Light-Verfahren, welche wir an dieser Stelle nicht erläutern wollen. Wichtig zu wissen ist, dass man über dieses Verfahren großflächige Bauteile in kleinen bis mittleren Serien herstellen kann, die zwei gute Seiten aufweisen, So können z. B. auf der Rückseite Halter mit einer gewissen Reproduzierbarkeit aufgeklebt werden. Nach Möglichkeit können derartige Halterungen auch schon während der Erstellung des RTM-Bauteils in das Werkzeug eingebracht werden.

Heißpressen (SMC/BMC)

Um eine sehr große Stückzahl von gleichen Faserverbund-Bauteilen herzustellen, sind die Pressverfahren gut geeignet. Die Reproduzierbarkeit ist gut und weitestgehend automatisierbar. Auch die Taktzeiten sind kurz. Diese Art der Fertigung fordert jedoch eine hydraulische Presse mit Steuerung sowie recht teure Werkzeuge. Sie wird gerne im Automobilbereich eingesetzt.

Pultrusion (Strangziehen)

Beim Pultrusionsverfahren werden Faserrovings und Matten über eine Zuführeinrichtung in ein Werkzeug geschleust. Die Zuführeinrichtung sorgt dafür, dass jeder Roving und jede Matte an die vorgesehene Stelle im Werkzeug positioniert werden, um die mechanischen Eigenschaften reproduzierbar zu halten. Bevor die Fasern in das Werkzeug eingezogen werden, werden diese zuvor in einem Harzbad mit dem vorgesehenen Matrixharz getränkt. Alternativ kann das Harz auch ins Werkzeug eingespritzt werden oder man wendet eine Kombination aus beiden Verfahren an. Anschließend wird das Harz-Glasfaser-Gemisch im Werkzeug unter Zuführ von Wärme ausgehärtet. Das Profil wird dabei kontinuierlich durch eine Abzugseinheit aus dem Werkzeug gezogen.

Mittels Pultrusion können GFK-Profile in großen Längen und Mengen zu einem wirtschaftlichen Preis hergestellt werden. Da für jedes Pultrusionsprofil ein eigenes Werkzeug gebaut werden muss, lohnt sich dieses Verfahren ab einem Bedarf von min. 1.000 m pro Profilsorte.

Bearbeitungsverfahren

Zerspanung

Das Zerspanen von Faserverbundbauteilen ist mit handelsüblichen Kleingeräten wie z. B. Kreisäge, Bohrmaschine, Stichsäge, Flex, Oberfräse usw. möglich. Empfohlen werden dabei Hartmetall-Werkzeuge bzw. diamantbesetzte Werkzeuge. Diese bleiben deutlich länger scharf. Andere Werkzeuge verschleißen aufgrund des Glasanteils in den Produkten sehr schnell.

Als minimale persönliche Schutzausrüstung sollten Schutzbrille, Handschuhe, körperbedeckende Kleidung und bei Bedarf ein Mundschutz getragen werden, da bei der zerspanenden Bearbeitung von GFK Stäube entstehen. Diese sind nicht lungengängig, können jedoch Hautreizungen auslösen.

Wenn es ein bisschen professioneller sein darf, ist auch der Einsatz von CNC-Maschinen sehr gut möglich. Entscheidend beim Einsatz von CNC-Maschinen ist die Frage, wie man das GFK-Bauteil vernünftig, einfach und reproduzierbar auf die CNC-Maschine aufgespannt bekommt. Hier haben unsere Mitarbeiter im Laufe der letzten beiden Jahrzehnte unterschiedliche Konzepte entworfen und verfeinert. Weiterhin spielt der richtige Werkzeugeinsatz eine erhebliche Rolle. Hierdurch kann manche Nacharbeit wie z. B. das Entgraten der GFK-Profile eingespart werden. Selbstverständlich sind unsere CNC-Maschinen an eine zentrale Absaugung angeschlossen, die auch für das Abfiltern von Carbon-Stäuben ausgelegt ist.

Klebtechnik

Die Frage „Welchen Klebstoff setzt Ihr ein?“ ist in einem Satz nicht zu beantworten. Zunächst müssen wir wissen, was gefügt werden soll (GFK und GFK; GFK und Aluminium, GFK und Edelstahl, ...). Außerdem müssen für eine gute Klebverbindung die zu fügenden Bauteile klebgerecht gestaltet sein. Wenn man zwei GFK-Profile stumpf stirnseitig aneinanderkleben möchte, kann die Klebstelle noch so gut ausgeführt werden. Das Bauteil hält einfach nicht. Daran ist aber weder der Mitarbeiter, noch der Klebstoff schuld. Hier wurde es einfach versäumt, die Fügestelle klebgerecht zu konstruieren.

Ebenfalls muss hinterfragt werden, welche Lasten auf die Klebung während ihrer Laufzeit einwirken werden und ob es sich dabei um dynamische oder statische Lasten handelt. Auch muss geklärt werden, ob unter Baustellenbedingungen gefügt werden muss oder ob das Kleben z. B. in unseren wohltemperierten Fertigungshallen bei kontrollierter Luftfeuchtigkeit und bei Abwesenheit von Zugluft erfolgen kann.

Ferner ist zu klären, in welcher Umgebung das geklebte Bauteil eingesetzt werden soll (Temperatur, Witterung, chemische Einflüsse usw.). Wichtig ist es darüber hinaus zu wissen, ob es sich um ein Unikat oder um ein Serienbauteil handelt. Und dann sind da noch die Klebvorrichtungen, die gebaut werden müssen. Erst wenn diese Rahmenbedingungen im Detail bekannt sind, können unsere versierten Klebfachingenieure an die Klebstoffauswahl gehen. Also, wenn Sie Bauteile per Klebtechnik gefügt haben müssen, sind Sie bei TC gut aufgehoben. Sprechen Sie uns an.

Lackierung

Lackieren ist nur das einfache Aufbringen von Farbe auf einem Bauteil? Weit gefehlt. Wir wissen, dass das Lackieren von Bauteilen ein hohes Maß an handwerklichem Geschick erfordert. Daher wissen wir den Mehrwert, den unsere Partner in der Lackiertechnik stiften, sehr zu schätzen. Egal, ob Sie einen Glattlack mit definiertem Glanzgrad auf Ihrem Produkt benötigen, einen Strukturlack oder einfach nur eine besandete Oberfläche – sprechen Sie uns an. Wir werden mit unserem Partner im Lackierbereich das Bauteil und die Möglichkeiten der Lackierung besprechen und das Ergebnis mit Ihnen abstimmen, so dass am Ende alle Beteiligten mit dem Ergebnis zufrieden sind.

Vorrichtungen und Arbeitsplätze

Ohne die richtige Vorrichtung zur Bearbeitung von Bauteilen wird jedes Stück ein Unikat. Ohne professionell gestaltete Arbeitsplätze können wir zwar die Bauteile für unsere Kunden fertigen – jedoch nicht wirtschaftlich. Um wirtschaftlich und mit hoher Wiederholgenauigkeit fertigen zu können, stecken wir einige Energie in die Herstellung von Vorrichtungen, Arbeitsplätzen und Transportgestellen.

Konstruktion

Konstruieren mit Faserverbund

Beim Konstruieren mit Faserverbundwerkstoffen muss man deren anisotropes Verhalten beachten. Die Eigenschaften von Faserverbundbauteilen sind also abhängig von der Richtung. Diese Eigenschaft ermöglicht es, das Bauteil speziell auf die Lastfälle der Kundenanwendung auszulegen. Andererseits muss man dies auch z. B. bei der Auslegung von Verbindungsstellen berücksichtigen. Will man z. B. ein GFK-Profil mit einem anderen verbinden und bohrt ein Loch an den Rand des GFK-Profils, hilft einem das gute Tabellenbuch der Metalltechnik nicht weiter. Man kann sich sehr leicht vorstellen, dass sich ein Faserverbundprofil dabei eher verhält wie ein Holzbrett. Wenn man dort ein Loch zu nahe am Rand bohrt, reißen die Fasern in Längsrichtung ebenfalls auf und die Haltbarkeit der Verbindung ist deutlich geschwächt. Wir helfen Ihnen gerne beim Auslegen Ihres Produktes.

Recycling

Co-Processing

In der Regel gehen unsere Kunden bei den GFK-Produkten, die sie von uns beziehen, davon aus, dass diese mehrere Jahrzehnte ihre Aufgabe erfüllen. Wenn unsere Produkte das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben, so können diese über ein Co-Processing recycelt werden. Dabei werden zerkleinerte GFK-Fragmente zusammen mit anderen Rohstoffen in Zementöfen gegeben. Einerseits sorgen die Fragmente beim Verbrennen für zusätzliche Hitze. Andererseits sind die Brandrückstände gleichzeitig Rohmaterial für den Zement selbst.