Thema des Monats September 2008


Der Schlüssel für sichere Verbundmaterialien: Hohle Glasfasern gefüllt mit einem Reparaturharz - eingebunden in einen Kohlefaserverbundwerkstoff.
Photo by EPSRC

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen ist ein erfolgreiches Konzept, wenn es darum geht technologisch anspruchsvolle Eigenschaftsprofile für konstruktive Anwendungen zu realisieren. Insbesondere auf dem Gebiet der Glasfaserverstärkung und -verarbeitung bieten aktuelle Forschungs- und Entwicklungsergebnisse interessante Neuerungen, die für Anwendungen in den unterschiedlichsten Branchen optimierte Merkmale und nutzbringende Funktionen generieren können. Gerade im Kontext Leichtbau, Beständigkeit, Sicherheit und Formgebung stehen den Anwendern neue Technologielösungen zur Verfügung, die die Produktpalette innerhalb der Wertschöpfungskette der Messen wire und Tube fokussieren und diese fit für die Applikationen der Zukunft machen.

Zunächst eine Definition …

Verbundwerkstoffe - auch im deutschsprachigen Raum immer häufiger als Composites bezeichnet - sind Materialentwicklungen, die auf der intelligenten Kombination verschiedener Werkstoffe basieren und dadurch ein neues Eigenschaftsprofil zur Verfügung stellen, das keines der beteiligten Materialien alleine bieten kann. Dieses beispielsweise auch in der Natur bei Holz und Knochen angewendete Konzept verfolgt die gezielte Optimierung der geforderten Eigenschaften für zahlreiche Technologieanwendungen und erlaubt die Vereinigung von zunächst scheinbar widersprüchlichen Merkmalen in einem Materialsystem. So überzeugen Composites beispielsweise trotz ihres geringen Gewichts zuverlässig in anspruchsvollen Halbzeugen, Bauteilen und Komponenten mit hohen Festigkeiten oder extremen Steifigkeiten. Insbesondere kunststoffbasierte Materialien erreichen durch das Prinzip der Faserverstärkungen – etwa durch eingearbeitete Glas-, Karbon- oder Aramidfasern – höhere spezifische, also gewichtsbezogene, mechanische Eigenschaften als vergleichbare Komponenten aus Stahl, Aluminium oder Titan und stellen gleichzeitig eine signifikante Gewichtseinsparung ein. Diese kann im Falle von Stahl bis zu 60 Prozent betragen.
Gerade der Bereich der glasfaserverstärkten Kunststoffe - so genannter GFK-Materialien - überrascht die Anwender immer wieder mit marktfähigen Neuerungen, die sich aufgrund der häufig breiten Anwendbarkeit direkt in positiven Wirtschaftsdaten der Branche niederschlagen. Laut einer Marktstudie der Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V. (AVK) in Frankfurt am Main betrug das Wachstum der europäischen GFK-Industrie im Jahr 2006 etwa 6,2 Prozent. Die gesamte Produktionsmenge an glasfaserverstärkten Kunststoffen erreichte dabei im gleichen Zeitraum in Europa einen Umfang von über 1,1 Millionen Tonnen.

Bereits 1935 wurden in den USA Endlos-Glasfasern als verstärkende Komponente für Materialsysteme industriell hergestellt; schnell danach etablierte sich der Begriff Fiberglas weltweit als das Schlagwort für einen Werkstoff, der zahlreiche Anforderungsprofile zuverlässig erfüllte. Mittlerweile sind über 70 Jahre vergangen und immer noch ist das Innovationspotenzial dieser Materialklasse nicht ausgereizt.

Im Folgenden demonstrieren ausgewählte Technologieentwicklungen die Engineering-Kompetenz, die mit glasfaserverstärkten Kunststoffen möglich wird. Interessante Impulse ergeben sich dabei besonders für Anwendungen, die von ausgedehnten Geometrien, komplexen Formen und integrierten Sicherheitsfeatures profitieren können.

Leicht, zuverlässig und nachhaltig: Tragende Konstruktionselemente

Im Juli 2008 wurde im hessischen Friedberg Europas erste Stahl-GFK-Verbundbrücke fertig gestellt. In einem mehrjährigen Kooperationsprojekt zwischen dem Hessischen Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen und dem Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen der Universität Stuttgart wurde die 27 Meter lange und fünf Meter breite Überführung entwickelt und konstruiert. Als Kriterien für diese Novum galten unter anderem die zukunftsweisenden Eigenschaften dieser Materialklasse – glasfaserverstärkte Kunststoffe gelten als robust und nachhaltig, zeigen gute ökologische Kennwerte und bieten großen gestalterischen Freiraum für die Verwirklichung besonders leichter und effizienter Strukturen. "Faserverstärkter Kunststoff wird im Brückenbau eine wichtige Rolle spielen", betont Wolfgang Scherz, Präsident des HLSV. "Während konventionelle Stahlbetonbrücken mit langen Bauzeiten und ebenso langen Verkehrsbehinderungen einhergehen, wurde bei der Brücke in Friedberg eine Konstruktion gefunden, die weitgehend vorgefertigt und dann als Ganzes zur Baustelle transportiert und eingehoben werden konnte." Auch die Folgekosten sprechen für die erfolgte Materialauswahl. Denn bei konventionellen Brücken sind oft schon nach 15 bis 20 Jahren umfassende Instandhaltungsmaßnahmen erforderlich. Die aus Glasfaser-Verbundmaterialien gebaute Brücke soll dagegen einen Zeitraum von bis zu 50 Jahren ohne Reparatur überstehen.

Dreidimensional, komplex und branchenübergreifend: Bauteile in definierter Form

Mit dem WOVENIT Fertigungsverfahren stellt die VISIOTEX GmbH ein neues Verfahren zur Herstellung komplex geformter textiler Strukturen vor, die zusammen mit geeigneten Harzsystemen dreidimensionale Verbund-Komponenten oder -Bauteile realisieren können. Dazu hat das Unternehmen eine Technologie entwickelt, die drei textile Fertigungsverfahren in einer Maschine und in einen Arbeitsgang integriert: weben, stricken und wirken. Bisher wurden strukturierte Faserverbundbauteile meist über Handlaminat-Einzelfertigung hergestellt - bekanntermaßen ein aufwendiger und kostenintensiver Prozess. Das neue Verfahren ermöglicht dagegen die präzise Serienproduktion im industriellen Maßstab. In Verbindung mit dem Resin Injection Molding Verfahren und entsprechenden Harzsystemen entstehen Faserverbundteile auf der Basis von technischen Spezialfasern wie etwa Glas-, Carbon-, und Aramidfasern. Neben Halbzeuge mit definierten scheiben- und rohrförmigen Geometrien sind auch anspruchsvolle Formteile wie Kalotten, Gehäuse und Profile über diesen Prozess herstellbar.

Intelligent, innovativ und zukunftsweisend: Selbstheilung von Rohren

Die nachteiligen Auswirkungen durch Bauteilversagen sind jedem bekannt – teure Produktionsausfälle, lästige Stillstandszeiten, lange Inspektionsintervalle oder gar Sicherheitsrisiken sind hier nur ein paar treffende Beispiele. Auch in diesem Kontext können glasfaserverstärkte Materialien technologisch relevante Highlights setzen. Wissenschaftler der University of Bristol haben mit dem Forschungsprojekt "Bleeding Composites" eine innovative Technologie vorgestellt, mit der sich Risse und Beschädigungen in Verbundbauteilen selbst reparieren sollen. Nach Angaben des Projektleiters Dr. Ian Bond soll ein in hohlen Glasfasern eingelassenes Epoxidharz bei Beschädigung selbsttätig austreten und zusammen mit einem Härter die betroffene Stelle abdichten und verschließen. Zusätzlich setzt sich das Harz-Härter-System farblich von dem Basismaterial ab und wirkt dadurch als erkennbarer Indikator für eingetretene Materialschädigungen. Dadurch wird es bei regulären Wartungsarbeiten und Kontrolluntersuchungen an Bauteilen und Anlagen für die Techniker leichter Risse und Beschädigungen zu identifizieren und letztendlich fachgerecht zu beheben oder die betroffenen Komponenten komplett auszutauschen. Die von den britischen Wissenschaftlern entwickelte Methode soll bis 2012 die Marktreife erlangen.

Seien sie neugierig und entdecken sie die nutzbringenden Merkmale dieser GFK-Composites für ihre Anwendungen – beispielsweise durch Material- und Prozesssubstitution, Integration von Funktionen oder Technologietransfer.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Werkstoffberater und Nanoexperte
www.materialsgate.de