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Herstellung von GFK

« Leicht, preiswert und einfach: Glasfaserverstärkter Kunststoff in der Herstellung »

GFK bedeutet „Glasfaserverstärkter Kunststoff„. Es bezeichnet einen Kompositwerkstoff, der aus zwei verschiedenen Komponenten besteht: Harz und Glasfasern. Dieser Werkstoff hat in vielen Bereichen die traditionellen Werkstoffe wie monoplastische Kunststoffe, Kupfer- und Aluminiumbleche oder sogar Holzwerkstoffe verdrängt. Doch wie wird dieses Kompositmaterial überhaupt hergestellt?

Faszination Glasfaser

Die Stabilität von GFK Material stammt von den Fäden, mit denen es durchzogen ist. Glas ist allgemeinhin weder besonders stabil noch lässt es sich leicht verbiegen. Als Scheibe oder Trinkglas ausgeführt, hat dieser Werkstoff tatsächlich völlig andere Eigenschaften. Als Langfaser könnten die Werkstoffeigenschaften von Glas gegenüber dem Vollmaterial jedoch unterschiedlicher nicht sein. Beliebig flexibel in alle Richtungen und außerordentlich reißfest in linearer Belastung macht Glas hier den etablierten Werkstoffen starke Konkurrenz. Hinzu kommt, dass Glasfasern ausgesprochen preiswert herzustellen sind: Gerade einmal 700 – 900° C sind notwendig, um Glas zu verflüssigen. Zum Vergleich: Das ebenso einfach zu verarbeitende Aluminium benötigt auch mindestens 600°C, während das allgegenwärtige Eisen bereits 1400°C braucht, um fließbar zu sein.

Glasfaser-Rohr teleskopierbar Serie T GFK-Rundrohr Hohlprofil

Das gerne mit den Glasfaser-Werkstoffen in einem Atemzug benannte CFK spielt indes in einer anderen Liga: Um Kohle zu verflüssigen sind enorme 4500° C notwendig. Um flüssiges Glas zu Glasfasern zu verarbeiten, wird es zu Fäden versponnen. Dies ist recht einfach umsetzbar: Aus der Schmelze wird einfach ein Faden gezogen, mit Wasser abgekühlt und aufgewickelt. In dieser langen, dünnen und biegsamen Form zeigt Glas ganz erstaunliche technische Eigenschaften: Je nach Typ können Glasfasern eine Zugfestigkeit von 1600 bis 2700 N/mm² erreichen.

Damit übertreffen Glasfasern die Zugfestigkeit von Aluminium um ca. das 5-fache.

Bei Stahl sieht es ähnlich aus: Rein auf Zug belastet, sind Glasfasern einer der stärksten verfügbaren Werkstoffe. In der Querbelastung müssen die Fasern aus Quarzglas natürlich Abstriche machen: Sie sind mit einer handelsüblichen Schere zu zerschneiden. Um aus den Fasern nun einen möglichst umseitig belastbaren Werkstoff zu machen, kommt das Harz ins Spiel.

Typen von Glasfasern

Glasfasern werden in drei Konfigurationen angeboten:

  • Endlos-Einzelfasern
  • Matten, gewebt aus Endlos-Einzelfasern
  • Kurz- und Langfasermatten

Die Endlos-Einzelfasern sind der Grundwerkstoff, der bei der Umwandlung aus der Glasschmelze entsteht. Bei pultrudierten und extrudierten Profilen werden diese Einzelfasern mit Kunstharz durchtränkt und durch eine Matrize geschickt. Diese unidirektionalen Glasfaser-Werkstoffe haben ein begrenztes Einsatzspektrum. Für technisch hoch belastbare Produkte kommen die Webmatten aus Glasfasern zum Einsatz. Das fertig laminierte Material ist so stabil, dass es auch sehr hohen Kräften standhält. Ein typisches Anwendungsbeispiel für GFK-Matten sind beispielsweise die Flügel von Windkraftanlagen. Die Kurz- und Langfasermatten bestehen nicht aus durchgehenden Fasern, sondern aus kleinen bis mittellangen Faserstücken. Sie werden ohne definierte Anordnung auf ein Trägermaterial aufgestreut. Dieses Material hat natürlich bei Weitem nicht die Zugfestigkeit von Endlosfasern. Jedoch ist es wesentlich preiswerter. Die Kurzfaser-Matten werden deshalb bevorzugt für die Herstellung von nicht belasteten Bauteilen verwendet: Gehäuse- und Karosseriebauteile, Verschalungen, Schirme und ähnliches sind typische Anwendungen für Kurzfasermatten.

Windkraftanlage
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Multidirektionale Festigkeit durch Kunstharz

Kunstharz ist der zweite Bestandteil von GFK. Es besteht aus einem handelsüblichen Zwei-Komponenten Material und wird erst kurz vor der Verbindung mit dem Fasermaterial miteinander verrührt. Sobald die beiden Komponenten in Verbindung zu einander stehen, beginnt der Aushärteprozess. Kunstharz hat eine Konsistenz, die der Viskosität von Honig ähnlich ist. Die umseitige Umhüllung der Faser ist damit eine große technische Herausforderung, der auf verschiedenen Arten begegnet wird. Sobald es aber ausgehärtet ist, umschließt es die Fasern so fest, dass sie nicht mehr verrutschen können. Es ist dann nur noch eine Frage der Anordnung der Fasern, wie stabil das fertige Halbzeug wird. Es gibt durchaus einige Halbzeugarten, bei denen die Glasfasern nur in einer Richtung liegen. Man findet dies häufig bei pultrudierten bzw. extrudierten Profilen. In der Längsfestigkeit sind diese Halbzeuge unschlagbar. Außerdem haben sie interessante Eigenschaften rund um die Leitung von Licht. Möchte man aber ein möglichst beliebig belastbares Halbzeug haben, muss der glasfaserverstärkte Kunststoff multidirektional aufgebaut sein.

Glasfaser-Rohr GFK-Rundrohr Hohlprofil

Die Glasfaserverstärkter Kunststoff Herstellung löst das Problem mit einem einfachen Trick: Die Fasern werden schichtweise quer und längs eingebaut. Lediglich in der Hochachse bleibt die Faser unterbrochen. Hier hat die GFK Herstellung noch keine zufriedenstellende Lösung gefunden. Lediglich bei der Herstellung von Rundrohren aus GFK hat man mit einem weiteren Kniff eine multidirektionale Ausrichtung erreichen können: Der Faserwerkstoff wird einfach um einen Rundstab gewickelt und dabei laminiert. Anders als bei monolithischen Materialien muss bei der Glasfaserverstärkter Kunststoff Herstellung im Vorfeld genau überlegt werden, wie das fertige Bauteil belastet wird. Bei einer fehlerhaften Spannungsführung sind das Reißen und die Delaminierung des Bauteils vorprogrammiert.

GFK-Herstellung in der Praxis

In der Praxis wird GFK Material auf zwei Arten verarbeitet:

  • Weiterverarbeitung von fertigen Halbzeugen
  • Glasfaserverstärkter Kunststoff Herstellung am Objekt

Bei fertigen Halbzeugen ist die Verarbeitbarkeit zwar stark eingeschränkt. Dafür arbeitet der Anwender mit einem Werkstoff, der zuverlässig und exakt definierte Eigenschaften besitzt. Hinzu kommt, dass die Bearbeitung keine großen Hürden aufwirft. Der Kompositwerkstoff lässt sich problemlos sägen, fräsen, bohren, drehen und polieren. Nur biegen lässt er sich nicht mehr. Um wirklich individuelle Produkte wie Gehäuse oder Schalen aus glasfaserverstärkten Kunststoff herzustellen, kommt man um das schichtweise Laminieren nicht herum. Hierzu ist zunächst eine Formschale notwendig. Glasfasermatten wie Kunstharz haben im nicht ausgehärteten Zustand keinerlei Eigenfestigkeit oder Formstabilität. Darum ist eine Grundform, auf der das fertige Produkt schichtweise aufgebaut wird, in jedem Fall zwingend notwendig. Bei Dünnschichten ohne größten Anspruch an die Belastbarkeit genügen hier die preiswerten Kurzfasermatten.

Soll das fertige Produkt hohen Kräften Widerstand leisten können, ist ein Gewebe aus Endlosfasern notwendig.

Je nach Dicke des fertigen Produkts wird bei der Herstellung von glasfaserverstärktem Kunststoff die Richtung der Fasern nochmals variiert. Eine um 45° gedrehte Mittelschicht gibt dem Endprodukt eine ganz besondere Festigkeit. Vor allem die Bildung von Rissen wird damit wirkungsvoll verhindert. Wichtig beim Laminieren ist, dass immer „nass in nass“ gearbeitet wird. Das bedeutet, dass die nächste Schicht Glasfasern immer auf die vorherige aufgelegt wird, solange deren Harz noch nicht ausgehärtet ist. So ist die vollständige Umhüllung aller Fasern weitestgehend garantiert. Die maximale Durchtränkung beim GFK bearbeiten erreicht man durch Vakuum-Verfahren. Dabei wird die Luft aus einer geschlossenen Formkammer abgesaugt. Dies führt dazu, dass Lufteinschlüsse aus dem Harz ausdiffundieren und dabei das gesamte Bauteil zuverlässig durchtränkt wird.

FR4-Platte Materialstaerke 1,4 mm

Weitere Vorteile von GFK Material

Glasfaserplatten erzeugen eine wasserdichte und korrosionsbeständige Sperrschicht. Darüber hinaus haben sie auch sehr interessante elektrisch isolierende Eigenschaften. Die als „FR4“ bekannten Platten aus dem Halbzeug-Handel werden sehr gerne zur Herstellung von elektrischen Schaltungen eingesetzt.

Herausforderungen bei der Herstellung von glasfaserverstärktem Kunststoff

Die Frage nach der Entsorgung ist heute ein zentraler Bestandteil von jedem Herstellungsprozess. Bei GFK ist diese Frage noch nicht vollständig befriedigend beantwortet. Probleme bereiten dabei nicht die Glasfasern, sondern das Harz. Es ist ein phenolhaltiger Werkstoff, der nur begrenzt deponiefähig ist. Aufgrund des hohen Glasanteils ist die thermische Verwertung jedoch ebenfalls nicht befriedigend. Hier muss noch einiges an Forschungsarbeit geleistet werden, bis man valide technische Verfahren zur Entsorgung dieses Kompositwerkstoffs gefunden hat.