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Allgemeine Informationen zu Faserverbundwerkstoffen

  • Allgemeine Informationen zu Faserverbundwerkstoffen
    • Faserverbundwerkstoffe sind gemischte oder mehrphasige Werkstoffe, die im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten bestehen: Der umgebenden Vliesmatrix (Kunststoff, Kunstharze) und den Verstärkungsfasern (z. B. Glas, Kohlenstoff, Polymere oder Keramik).
      Die Faserbündel sind von der Vliesmatrix umgeben, wie ein elastisch eingeschlossener Strahl.

      Durch die Kombination dieser beiden Komponenten erhält das Material hochwertigere Eigenschaften als jede der beiden Komponenten für sich.

      Der Vorteil dabei: Grundsätzlich sind Faserverbundwerkstoffe bei gleichem Gewicht stabiler als Einkomponentenwerkstoffe aus Kunststoff.

      Da jedoch die Fasern die Hauptlast in der Komponente übertragen, müssen die Fasern entsprechend den Lastpfaden in der Komponente ausgerichtet werden.


Die folgenden Fasertypen werden am häufigsten in Faserverbundwerkstoffen verwendet:

  • Glasfasern (GRP)
  • Kohlefasern (CFRP)
  • Keramische oder mineralische Fasern (z. B. aus Aluminiumoxid, Basaltfasern)
  • Nylonfasern
  • Aramidfasern
  • Naturfasern
  • Stahlfasern
  • Bor-Fasern

Glasfasern sind mit einem Anteil von über 90 % auch die am meisten verwendeten Fasertypen. Je nach Anwendung liegt die Länge typischer Verstärkungsglasfasern zwischen 10 und 300 µm. Fasern, die länger als 1 mm sind, gelten in der Kunststoffverarbeitung bereits als „lang“.

Die folgenden Polymere werden am häufigsten als Einbettungsmatrixmaterial verwendet:

Duroplaste: Phenolharze, Polyesterharze, Epoxidharze, Polyimidharze

Thermoplaste: Polypropylen, Polyamid, Polyphenylsulfid, Polyetheretherketon, Polysulfon, Polyetherimid, Polyphenylsulfon, Polyethersulfon, Polyamidimid

Polyamid 6.6 wird häufig als Vliesmatrixmaterial mit einer Beimischung von 20 bis 50 Gewichtsprozent Glasfasern verwendet.

Für die Herstellung von maßgeschneiderten Faserverbundkomponenten gibt es die folgenden Verfahren:

  • Handlaminierverfahren
  • Handlaminieren mit Vakuumpressen
  • Faserspritzen
  • Wickeln von Fasern
  • Vakuuminfusion
  • Prepreg-Technologie (z. B. im Flugzeugbau)
  • Spritzgießen
  • Extrusion
  • Sheet Moulding Compound (SMC)
  • Faserverstärkter Beton

Die meisten Werkstücke aus faserverstärkten Kunststoffen werden jedoch kostengünstig im Spritzgussverfahren hergestellt.


Anwendungsbereiche

Jüngste Trends und Fortschritte bei der Herstellung und Kostenreduzierung von Verbundwerkstoffen haben dazu geführt, dass sie neben ihrer traditionellen Verwendung in der Luft- und Raumfahrt auch im Transportwesen, in der Industrie und in vielen anderen Märkten eingesetzt werden. Angetrieben durch die verschärften staatlichen Vorschriften für Fahrzeugemissionen, den Bedarf an geringerem Gewicht und die steigende Nachfrage der Endverbraucher nach leistungsfähigeren Produkten werden Verbundwerkstoffe zunehmend Teil der täglichen Konstruktionsvorgaben von Ingenieuren. Verbundwerkstoffe werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, um das Gewicht zu reduzieren, die Umweltverträglichkeit zu verbessern, die Ästhetik zu erhöhen, die Designoptionen zu erweitern und das Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht zu verbessern. 


Klebeverbindungen für Faserverbundwerkstoffe im Materialmix

Verbundwerkstoffe erfordern neue Methoden des Klebens oder Verbindens (über die traditionellen mechanischen und thermischen Methoden hinaus), um eine Optimierung von Design und Leistung zu ermöglichen. Glücklicherweise haben Fortschritte im Bereich der Strukturklebstoffe (wie Epoxidharze, Acrylate und Urethane) es den Konstrukteuren ermöglicht, Produkte zu entwickeln, die die Anforderungen an die strukturelle Festigkeit erfüllen, ohne dass mechanische Verbindungselemente, Nieten oder Schweißarbeiten erforderlich sind. Außerdem lassen sich diese Strukturklebstoffe gut mit verschiedenen Substraten wie Kunststoffen, Metallen und Verbundwerkstoffen verarbeiten, ohne dass die Leistungseigenschaften beeinträchtigt werden.

Sogar Kunststoffe mit niederenergetischer Oberfläche (LSE), wie thermoplastische Polyolefine (TPO), Polypropylen (PP) und Polyethylen (z. B. HDPE), die früher mechanisch oder durch Quellschweißen verbunden werden mussten, können jetzt mit speziellen Strukturklebstoffen verklebt werden.

Zum Verbinden von Verbundwerkstoffen oder gemischten Materialien können mechanische Befestigungen (wie Klammern, Schrauben usw.) für nahezu jede Oberfläche verwendet werden, aber sie erfordern zusätzliche Arbeitsschritte, um die notwendige Befestigung anzubringen. Dies kann Belastungen verursachen, die bei Kunststoffen sehr oft zu Rissen oder vorzeitigen Bruch führen. Auch das Bohren von Löchern in Verbundwerkstoffe führt zu einer geringeren Festigkeit, da Unregelmäßigkeiten in der Vliesmatrix und den Verstärkungsfasern entstehen. Alle mechanischen Befestigungsmethoden führen zu einem höheren Gewicht und oft zu einem schlechteren ästhetischen Oberflächenergebnis.

Hitze- und Reibschweißen ist eine gängige Alternative für bestimmte Verbundwerkstoffe. Diese Schweißtechniken sind jedoch energie- und werkzeugintensiv und können nur in begrenztem Umfang für bestimmte Geometrien und Substratkombinationen eingesetzt werden. Strukturklebstoffe können nicht nur starke Verbindungen herstellen, sondern auch die Gesamtkosten senken und gleichzeitig die Haltbarkeit der Produkte erhöhen; außerdem sind sie in der Regel leichter als mechanische Verbindungselemente. Die Haltbarkeit wird verbessert, da Klebstoffe die Spannung über die gesamte Klebefläche verteilen, während mechanische Verbindungselemente, Nieten und Punktschweißen eine Spannungskonzentration verursachen können, die zu Schwachstellen in den Substraten führt. Darüber hinaus bietet der Einsatz von Klebstoffen die Möglichkeit, die gesamte Klebestelle abzudichten und gleichzeitig eine hochfeste Verbindung zu schaffen. Ein weiterer wichtiger Aspekt und Vorteil des Klebens ist die einfache Kombination verschiedener Materialien im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Methoden. Strukturklebstoffe verhindern beispielsweise galvanische Korrosion zwischen unterschiedlichen Metallen. Und schließlich ermöglichen unsichtbare Klebeverbindungen im Vergleich zu mechanischen Verbindungselementen schöneres Design, effizientere Produktkonstruktionen ohne zusätzliche Nacharbeit. Daher könnte das Kleben die beste Option für die Verbindung der nächsten Generation von technischen Verbundwerkstoffen und Kunststoffen sein. 

Geeignete Klebstoffe

Für das Zusammenfügen von Leichtbauwerkstoffen wurden zahlreiche Produkte entwickelt, darunter auch Klebstoffe von 3M, die sich hervorragend für das effiziente Füllen oder Fügen von Faserverbundwerkstoffen, Multimaterialsystemen und Niedrigenergie-Kunststoffen eignen.

Dazu gehören zum Beispiel:

  • Polyurethane Strukturklebstoffe auf 1-K- und 2-K-Acryl- oder Epoxidharzbasis.
  • Strukturelle Klebefilme für Verbundwerkstoffe sowie Hochleistungskunststoffe auf Epoxidharzbasis.
  • Kern- und Kantenfüller mit geringer Dichte eignen sich zur Verstärkung von hochsteifen Wabenstrukturen, z. B. im Fahrzeug- oder Flugzeugbau.
  • Acrylschaum-Klebebänder können als Ersatz für Nieten oder Klammern verwendet werden.
Werkstoff B
Metalle
  • Aluminium
  • Stahl (kalt gewalzt)
  • Verzinkter Stahl
Faserverstärktes Epoxidharz
  • Kohlefaser (CFK)
  • Glasfaser
Faserverstärkte Duroplaste
  • Polyester (FRP)
  • Phenol
  • SMC
Thermoplaste
  • Polyeolofin
  • PET
Weitere Thermoplaste
  • Acrylat/PMMA
  • Polycarbonat (PC)
  • PVC (starr) und HIPS
Faserverstärktes Nylon

Werkstoff A

Metalle DP420NS
DP125 Grau
DP420NS
DP6310NS
DP6310NS
DP8410NS
DP8010 Blau DP8410NS
DP6310NS
DP6310NS
  • Aluminium
  • Stahl (kalt gewalzt)
  • Verzinkter Stahl
Faserverstärktes Epoxidharz DP420NS
DP6310NS
760
DP6310NS
DP8410NS
760
DP8010 Blau DP8410NS
DP6310NS
DP6310NS
  • Kohlefaser (CFK)
  • Glasfaser
Faserverstärkte Duroplaste DP6310NS
DP8410NS
760
DP8010 Blau DP8410NS
DP6310NS
DP6310NS
  • Polyester (FRP)
  • Phenol
  • SMC
Thermoplaste DP8010 Blau DP8010 Blau DP8010 Blau
  • Polyeolofin
  • PET
  • HDPE
Weitere Thermoplaste DP8010 Blau DP8010 Blau
  • Acrylat/PMMA
  • Polycarbonat (PC)
  • PVC (starr) und HIPS
Faserverstärktes Nylon DP6310NS

Ein Beispiel ist der 3M™ Scotch-Weld™ Urethan-Multimaterial-Klebstoff DP6330NS. Hierbei handelt es sich um eine grüne, nicht fließende 2K-Urethanklebstoffpaste zur Klebung zahlreicher Verbund- und Kunststoffe sowie von Metallen und Holz. Dieser flexible Klebstoff zeichnet sich durch gute Energieabsorptions- und Ermüdungseigenschaften aus und eignet sich zur dauerhaften Klebung von Verbundwerkstoffteilen und Baugruppen aus verschiedenen Materialien.

Verlassen Sie sich bei einem Duo-Pak Klebstoff (DP) auf die 3M Geräte zum Dosieren – Mischen – Auftragen in nur einem Arbeitsgang – für konstante und definierte Qualität. Unser 3M™ Scotch-Weld™ Urethan-Multimaterial-Klebstoff DP6330NS wurde speziell für Verbindungen von unterschiedlichen Materialien und Verbundwerkstoff-Baugruppen entwickelt und bietet hervorragende Festigkeit und Leistung. Dieser flexible Klebstoff zeichnet sich durch hervorragende Dehnfähigkeit und Spannungsdehnungseigenschaften aus und eignet sich zur dauerhaften Klebung von Verbundwerkstoffteilen und Baugruppen aus verschiedenen Materialien einschließlich Kunststoffen, Metallen und Holz. Bei einem Mischungsverhältnis von 1:1 hat dieser grüne Klebstoff eine Verarbeitungszeit von 30 Minuten und erreicht die Handhabungsfestigkeit in etwa 2 Stunden. Der Klebstoff zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Wasser- und Feuchtigkeitsbeständigkeit sowie eine sehr gute Chemikalienbeständigkeit aus. Mögliche Anwendungsbereiche: Verklebung von Verbundwerkstoff- oder Kunststoffplatten mit Metallrahmen, Verklebung von Verbundwerkstoffen untereinander. 3M™ Scotch-Weld™ Urethan-Multimaterial-Klebstoff DP6330NS kann Nieten und Schrauben bei der Befestigung von Verbundwerkstoffen an anderen Substraten ersetzen und bietet eine ästhetischere, ermüdungsresistentere Verbindung. Er haftet auch gut auf den meisten Metallen, ohne erforderliches Primern.



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Bei der Entwicklung von Klebeverbindungen ist Folgendes zu beachten:

  • Spannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen müssen vermieden werden,
  • Unterschiedliche Klebeschichtdicken sollten vermieden werden,
  • Verwendung von schrumpfungsarmen Klebstoffen,
  • Vermeidung von überschüssigen Klebstoffresten,
  • Einhaltung der Aushärtebedingung. Die Außenhaut darf nicht durch zu hohe Aushärtetemperaturen beschädigt werden.
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