Für Verbundwerkstoffe steht eine breite Auswahl an Rohstoffen zur Verfügung, darunter Harze, Fasern und Kernmaterialien. Jedes Material besitzt spezifische Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit und thermischer Stabilität und ist mit unterschiedlichen Kosten und Ausbeuten verbunden. Die Gesamtleistung eines Verbundwerkstoffs hängt jedoch nicht nur von der Harzmatrix und den Fasern (sowie dem Kernmaterial in Sandwichstrukturen) ab, sondern auch maßgeblich von der Konstruktionsmethode und dem Herstellungsverfahren der verwendeten Materialien. In diesem Beitrag werden die gängigen Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffe, die wichtigsten Einflussfaktoren der einzelnen Verfahren und die Auswahl der Rohstoffe für die verschiedenen Prozesse vorgestellt.
Spritzguss
1. Verfahrensbeschreibung: Das Kurzfaserverstärkungsmaterial und das Harzsystem werden gleichzeitig in die Form gesprüht und anschließend unter atmosphärischem Druck zu duroplastischen Verbundwerkstoffen ausgehärtet.
2. Materialauswahl:
Harz: hauptsächlich Polyester
Faser: grobes Glasfasergarn
Kernmaterial: keines, muss mit Sperrholz kombiniert werden
3. Hauptvorteile:
1) Lange Tradition der Handwerkskunst
2) Kostengünstige und schnelle Laminierung von Fasern und Harz
3) Niedrige Formkosten
4. Die wichtigsten Nachteile:
1) Das Sperrholz neigt zur Bildung harzreicher Bereiche und weist ein hohes Gewicht auf.
2) Es können nur kurzgeschnittene Fasern verwendet werden, was die mechanischen Eigenschaften des Sperrholzes stark einschränkt.
3) Um das Sprühen zu erleichtern, muss die Viskosität des Harzes niedrig genug sein, wodurch die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs verloren gehen.
4) Der hohe Styrolgehalt des Sprühharzes bedeutet, dass ein hohes Gefahrenpotenzial für den Bediener besteht, und die niedrige Viskosität bedeutet, dass das Harz leicht die Arbeitskleidung des Mitarbeiters durchdringen und in direkten Kontakt mit der Haut kommen kann.
5) Es ist schwierig, die gesetzlichen Anforderungen an die Konzentration von flüchtigem Styrol in der Luft zu erfüllen.
5. Typische Anwendungsgebiete:
Einfache Zäune, leichte Strukturpaneele wie Cabrio-Karosserien, LKW-Verkleidungen, Badewannen und kleine Boote.
Handlaminierformteil
1. Verfahrensbeschreibung: Das Harz wird manuell in die Fasern eingebracht. Die Fasern können gewebt, geflochten, genäht oder verklebt sein oder durch andere Verstärkungsmethoden verbunden werden. Das manuelle Laminieren erfolgt üblicherweise mit Walzen oder Pinseln. Anschließend wird das Harz mit einer Leimwalze in die Fasern eingepresst. Das Sperrholz wird dann unter normalem Druck ausgehärtet.
2. Materialauswahl:
Harz: keine Anforderung, Epoxid-, Polyester-, Polyethylen-basierte Ester- und Phenolharze sind verfügbar
Faser: keine Anforderungen, jedoch erschwert das Grundgewicht der größeren Aramidfasern das Eindringen in das handgelegte Gewebe.
Kernmaterial: keine Anforderung
3. Die wichtigsten Vorteile:
1) Lange Technologiegeschichte
2) Leicht zu erlernen
3) Geringe Formkosten bei Verwendung von bei Raumtemperatur aushärtendem Harz
4) Große Auswahl an Materialien und Lieferanten
5) Hoher Faseranteil, längere Fasern als beim Sprühverfahren
4. Hauptnachteile:
1) Harzmischung, Laminatharzgehalt und -qualität hängen eng mit der Erfahrung des Bedieners zusammen; es ist schwierig, einen niedrigen Harzgehalt und eine geringe Porosität des Laminats zu erzielen.
2) Gesundheits- und Sicherheitsrisiken durch Harze: Je niedriger das Molekulargewicht des handlaminierten Harzes ist, desto größer ist die potenzielle Gesundheitsgefährdung; je niedriger die Viskosität ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass das Harz die Arbeitskleidung der Mitarbeiter durchdringt und somit in direkten Kontakt mit der Haut kommt.
3) Wird keine ausreichende Belüftung installiert, ist es schwierig, die gesetzlichen Anforderungen hinsichtlich der Konzentration von Styrol zu erfüllen, das aus Polyester- und Polyethylen-basierten Estern in die Luft verdunstet.
4) Die Viskosität des Handpastenharzes muss sehr niedrig sein, daher muss der Anteil an Styrol oder anderen Lösungsmitteln hoch sein, wodurch die mechanischen/thermischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs verloren gehen.
5) Typische Anwendungen: Standard-Windkraftanlagenflügel, in Serie gefertigte Boote, Architekturmodelle.
Vakuumbeutelverfahren
1. Verfahrensbeschreibung: Das Vakuumsackverfahren ist eine Erweiterung des oben beschriebenen Handlaminierverfahrens. Dabei wird eine Schicht Kunststofffolie auf die Form aufgebracht und das Sperrholz unter Vakuum handlaminiert. Durch Anlegen eines atmosphärischen Drucks an das Sperrholz wird ein Entlüftungs- und Verdichtungseffekt erzielt, um die Qualität des Verbundwerkstoffs zu verbessern.
2. Materialauswahl:
Harz: hauptsächlich Epoxid- und Phenolharze; Polyester- und Polyethylen-basierte Ester sind nicht geeignet, da sie Styrol enthalten, das in die Vakuumpumpe verdampfen kann.
Faser: keine Anforderung, selbst wenn das Grundgewicht der größeren Fasern unter Druck infiltriert werden kann.
Kernmaterial: keine Anforderung
3. Hauptvorteile:
1) Ein höherer Fasergehalt als beim Standard-Handlaminierverfahren kann erreicht werden
2) Das Porenverhältnis ist geringer als beim herkömmlichen Handlaminierverfahren.
3) Unter Unterdruck fließt das Harz ausreichend, um den Grad der Faserinfiltration zu verbessern; natürlich wird ein Teil des Harzes von den Vakuumverbrauchsmaterialien absorbiert.
4) Gesundheit und Sicherheit: Das Vakuumbeutelverfahren kann die Freisetzung flüchtiger Stoffe während des Aushärtungsprozesses reduzieren.
4. Hauptnachteile:
1) Zusätzliche Arbeitsschritte erhöhen die Kosten für Arbeitskräfte und Einweg-Vakuumbeutelmaterial.
2) Höhere Qualifikationsanforderungen an die Bediener
3) Das Mischen des Harzes und die Kontrolle des Harzgehaltes hängen maßgeblich von der Kompetenz des Bedieners ab.
4) Obwohl Vakuumbeutel die Freisetzung flüchtiger Stoffe reduzieren, ist das Gesundheitsrisiko für den Bediener immer noch höher als beim Infusions- oder Prepreg-Verfahren.
5. Typische Anwendungen: große Yachten in limitierter Auflage, Rennwagenteile, Kernmaterialverbindung im Schiffbau.
Gewickelte Formteile
1. Beschreibung des Verfahrens: Das Wickelverfahren dient im Wesentlichen der Herstellung von hohlen, runden oder ovalen Bauteilen wie Rohren und Wannen. Faserbündel werden mit Harz imprägniert und anschließend in verschiedenen Richtungen auf einen Dorn gewickelt. Der Prozess wird durch die Wickelmaschine und die Dorndrehzahl gesteuert.
2. Materialauswahl:
Harz: keine Anforderungen, z. B. Epoxidharz, Polyesterharz, Esterharz auf Polyethylenbasis und Phenolharz usw.
Faser: Keine Anforderungen, direkte Verwendung der Faserbündel vom Spulenrahmen, kein Weben oder Nähen zum Fasergewebe erforderlich.
Kernmaterial: keine Anforderung, die Deckschicht besteht jedoch üblicherweise aus einem einlagigen Verbundwerkstoff.
3. Die wichtigsten Vorteile:
(1) Eine hohe Produktionsgeschwindigkeit ist eine wirtschaftliche und vernünftige Methode der Laminierung
(2) Der Harzgehalt kann durch Messung der Harzmenge kontrolliert werden, die von den durch die Harznut hindurchtretenden Faserbündeln transportiert wird.
(3) Minimierte Faserkosten, kein Zwischenwebprozess
(4) hervorragende strukturelle Eigenschaften, da die linearen Faserbündel entlang der verschiedenen lasttragenden Richtungen angeordnet werden können.
4. Hauptnachteile:
(1) Das Verfahren ist auf runde Hohlkörper beschränkt.
(2) Die Fasern lassen sich nicht einfach und präzise entlang der axialen Richtung des Bauteils anordnen.
(3) Höhere Kosten des Dornformverfahrens für große Strukturbauteile
(4) Die Außenfläche der Struktur ist keine Formoberfläche, daher ist die Ästhetik schlechter.
(5) Bei der Verwendung von niedrigviskosem Harz müssen die mechanischen Eigenschaften sowie die Gesundheits- und Sicherheitsaspekte beachtet werden.
Typische Anwendungsbereiche: Chemikalienlagertanks und -leitungen, Zylinder, Atemschutzgeräte für Feuerwehrleute.
Pultrusionsformen
1. Verfahrensbeschreibung: Aus dem Spulenhalter wird ein mit Klebstoff imprägniertes Faserbündel durch die Heizplatte gezogen. Dort durchdringt das Harz die Fasern vollständig, der Harzgehalt wird kontrolliert und das Material härtet schließlich in die gewünschte Form aus. Das so fixierte, ausgehärtete Produkt wird anschließend mechanisch in verschiedene Längen geschnitten. Die Fasern können auch in anderen Richtungen als 0° auf die Heizplatte gelangen. Extrusion und Streckformen sind kontinuierliche Produktionsverfahren, bei denen der Produktquerschnitt in der Regel eine feste Form aufweist, geringfügige Abweichungen jedoch möglich sind. Das vorbefeuchtete Material wird durch die Heizplatte geführt, fixiert und in die Form gespritzt, wo es sofort aushärtet. Obwohl dieses Verfahren weniger kontinuierlich ist, ermöglicht es die Veränderung der Querschnittsform.
2. Materialauswahl:
Harz: üblicherweise Epoxid-, Polyester-, Polyethylen-basierte Ester- und Phenolharze usw.
Glasfaser: nicht erforderlich
Kernmaterial: nicht gebräuchlich
3. Hauptvorteile:
(1) Hohe Produktionsgeschwindigkeit ist eine wirtschaftliche und sinnvolle Methode zum Vorbefeuchten und Aushärten von Materialien.
(2) präzise Kontrolle des Harzgehalts
(3) Minimierung der Faserkosten, kein Zwischenwebprozess
(4) Hervorragende Struktureigenschaften, da die Faserbündel geradlinig angeordnet sind, ist der Faservolumenanteil hoch.
(5) Der Faserinfiltrationsbereich kann vollständig abgedichtet werden, um die Freisetzung flüchtiger Stoffe zu reduzieren.
4. die wichtigsten Nachteile:
(1) Der Prozess begrenzt die Form des Querschnitts
(2) Höhere Kosten der Heizplatte
5. Typische Anwendungsgebiete: Balken und Fachwerke von Wohnbauten, Brücken, Leitern und Zäunen.
Harzinjektionsverfahren (RTM)
1. Verfahrensbeschreibung: Trockene Fasern werden in die untere Form eingelegt, die vorab unter Druck gesetzt werden kann, um die Fasern bestmöglich an die Form anzupassen und zu kleben. Anschließend wird die obere Form auf die untere Form aufgesetzt, um einen Hohlraum zu bilden. In diesen Hohlraum wird dann das Harz eingespritzt. Üblicherweise wird die vakuumunterstützte Harzinjektion und -infiltration der Fasern, auch bekannt als Vakuum-Harzinjektion (VARI), angewendet. Nach vollständiger Faserinfiltration wird das Harzeinspritzventil geschlossen und der Verbundwerkstoff ausgehärtet. Harzinjektion und -aushärtung können entweder bei Raumtemperatur oder unter Wärmeeinwirkung erfolgen.
2. Materialauswahl:
Harze: üblicherweise Epoxid-, Polyester-, Polyvinylester- und Phenolharze; Bismaleimidharze können bei hohen Temperaturen eingesetzt werden.
Fasern: keine Anforderung. Genähte Fasern eignen sich besser für dieses Verfahren, da der Zwischenraum zwischen den Faserbündeln den Harztransfer begünstigt; es gibt speziell entwickelte Fasern, die den Harzfluss fördern.
Kernmaterial: Zellschaum ist nicht geeignet, da sich die Wabenzellen mit Harz füllen und der Druck außerdem zum Zusammenfallen des Schaums führen würde.
3. Die wichtigsten Vorteile:
(1) Höherer Faservolumenanteil, geringe Porosität
(2) Gesundheit und Sicherheit, saubere und ordentliche Arbeitsumgebung, da das Harz vollständig versiegelt ist.
(3) Verringerung des Arbeitsaufwands
(4) Die Ober- und Unterseiten der Bauteile sind geformte Oberflächen, was eine spätere Oberflächenbehandlung erleichtert.
4. Hauptnachteile:
(1) Die verwendeten Formen sind teuer, schwer und relativ sperrig, um dem höheren Druck standzuhalten.
(2) beschränkt auf die Herstellung von Kleinteilen
(3) Es können leicht nicht benetzte Bereiche entstehen, was zu einer großen Menge an Ausschuss führt.
5. Typische Anwendungsgebiete: kleine und komplexe Raumfähren- und Automobilteile, Zugsitze.
Veröffentlichungsdatum: 08.08.2024
