Verbundwerkstofffertigung

Um die moderne Verbundwerkstofffertigung zu verstehen, muss man die Herstellungsprozesse von Glas und Carbonfasern kennen.

Carbonfasern werden aus organischen Polymeren von 5 bis 10 Mikrometer Breite (ca. 0,005 mm bis 0,1 mm) gewonnen. Die genauen Inhaltsstoffe der Fasern sind je nach Hersteller und Marke unterschiedlich, in den meisten Fällen handelt es sich aber um organische Polymere.

1. Die Rohstoffe werden erst gesponnen und dann zu langen faserigen Molekülketten verstreckt, die von Kohlenstoffatomen zusammengehalten werden.

2. Diese Fäden werden gereinigt und mit chemischen Wirkstoffen stabilisiert.

3. Die Fasern werden auf rund 300 Grad erhitzt, um die Kohlenstoffmoleküle fest miteinander zu verbinden. Bei diesem Prozess, den man Karbonisierung nennt, wird der Kohlenstoff verdichtet und gereinigt und erreicht ein gutes Festigkeits-Volumenverhältnis.

4. Die Faseroberfläche wird oxidiert, um die Bindungseigenschaften zu verbessern.

5. Dann werden die Carbonfasern auf Spulen gewickelt, die in Spinnmaschinen geladen werden, um die Fasern zu Garnen unterschiedlicher Größe zu verdrehen und zu verweben. Das Gewebe wird in der Regel bahnen- oder streifenweise Streifen mit Harz imprägniert und dann aushärten gelassen. Oder die losen Fasern werden durch Hitze, Druck oder Vakuum mit einem Kunststoffpolymer zu einem Verbundwerkstoff zusammengepresst.

Glasfasern werden aus Quarzsand hergestellt, der mit weiteren Stoffen wie Kalk und Soda gemischt wird, um die Schmelztemperatur zu senken und andere Eigenschaften anzupassen.

1. Die Rohstoffe werden bei einer bestimmten Temperatur in einem Ofen geschmolzen.
2. Die entstandene Schmelze wird durch einen Kanal zu einer Maschine geleitet, die sie in kleine Kugeln formt.
3. Die Glaskugeln werden auf Verunreinigungen überprüft, bevor sie erneut geschmolzen werden.
4. Das geschmolzene Glas wird dann über metallische Spinndüsen geführt, die mit vielen feinen Öffnungen versehen sind.
5. Durch Zentrifugalkraft wird das geschmolzene Glas durch diese Öffnungen zu feinen Fäden gepresst. Diese Fäden können als einzelne Fasern belassen oder zu langen durchgehenden Strängen verwoben werden.

In der Verbundwerkstofffertigung kommen unterschiedliche Techniken zur Anwendung. Welche man Methode man wählt, hängt davon ab, welche Absicht verfolgt wird. Auch die Werkstoff- und Gerätekosten sowie die Anzahl der zu produzierenden Artikel spielen bei der Entscheidung eine Rolle.

Die Eigenschaften des fertigen Objekts hängen von den Eigenschaften der gewählten Komponenten und davon, wie Matrix und Verstärker kombiniert werden, ab.

Die gängigsten Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen sind:

• Handlaminieren – Der verstärkende Werkstoff wird in eine Form gelegt, und die Matrix wird per Pinsel, Walze oder Sprühpistole aufgetragen.  Die Form kann dabei offen oder geschlossen bleiben, anschließend härtet der Werkstoff darin aus. Dieser manuelle Prozess ist relativ kostengünstig und wird oft für Sonderanfertigungen in geringen Mengen eingesetzt.

• Spritzpressen (Resin Transfer Molding, RTM) – Fasermatten werden in ein Werkzeug eingelegt. Nach dem Schließen wird die FormDruck Harz und Wärme ausgesetzt. Die flüssige Matrix wird im Vorfeld mit einem Härtebeschleuniger gemischt, dann unter Druck durch kleine Kanäle in die Form injiziert und zum Aushärten im Werkzeug belassen. Manchmal wird ein Vakuum eingesetzt, um den Matrixfluss zu verbessern (vakuumunterstütztes Spritzpressen). Das Verfahren eignet sich gut für die Produktion von Mittelserien und setzt spezielles Equipment voraus.

• Niederdruck-Spritzgießen (Reaction Injection Molding, RIM) – Ein Harz und ein Härter werden in ein geschlossenes Werkzeug eingespritzt. Der Vorgang kann auch durch programmierbare Roboter erfolgen. Dabei wird die Mischung direkt auf Matten aus vorgeformten Verstärkermaterial gespritzt, die zuvor in das Werkzeug eingelegt wurden. Bei der Nutzung von automatisierten Systemen ist das Verfahren effizienter und präziser.

• Harzfilminfusion (Resin Film Infusion, RFI) – Auf einem gelartigen Harzfilm werden Schichten von vorgeformten Fasermatten als Verstärkermaterial abelegt. Unter Wärmezufuhr und Druck verflüssigt sich das Harz, sodass sich die Komponenten verbinden.

• Spritzgießen – Eine vorgefertigte Mischung aus Kurz-Glasfasern und Harz, BMC (Bulk Molding Compound) genannt, wird unter Druck in ein beheiztes Werkzeug eingespritzt. Die Masse verflüssigt sich und füllt die Form aus, dann wird sie abgekühlt. Sobald das Bauteil ausgehärtet ist, wird es entformt. Dieses Verfahren kann für Großserien genutzt werden.

• Formpressen – Harzplatten und zerkleinerte Glasfasern werden unter Druck zusammengepresst. Wenn sie gut miteinander verbunden sind, werden sie erneut erwärmt und unter Druck in eine Metallform gepresst. Die Glasfaserbestandteile nehmen die Form der Metallform an, härten aus und werden entformt. Aus jeder Platte können mehrere Bauteile gefertigt werden, und mit dem richtigen Zubehör kann das gesamte Verfahren automatisiert werden, sodass es sich ideal für die Massenproduktion eignet.

• Strangziehen – Eine Endlosmatte aus Verstärkungsfasern wird durch beheiztes Harzbad und ein temperiertes Werkzeug geführt, das für die endgültige Formgebung sorgt. Anschließend wird der Verbundwerkstoff abgekühlt und ausgehärtet. Die lange Matte wird in einzelne Teile zerschnitten.

• Strangpressen (Extrusion) – Glas- oder Carbonfasern als Langfasern können mit einem speziellen Thermoplast vorgemischt und unter Druck durch eine Werkzeugöffnung gepresst werden. Dadurch entsteht eine Endlosform, die ausgehärtet und dann abgelängt werden kann. Das Strangpressen ist eigentlich ein Verfahren aus der Kunststoffherstellung, wurde nun aber auch für die Verwendung mit Verbundwerkstoffen weiterentwickelt.

1. Festigkeits-Gewichtsverhältnis – Verbundwerkstoffe weisen in der Regel ein deutliches höheres Verhältnis aus Festigkeit zu Gewicht aus als traditionelle Baustoffe wie Holz, Metall und Kunststoff.  
2. Designflexibilität – Aus Verbundwerkstoffen lassen sich genauso einfach komplexe Formen und Geometrien wie einfache Formen herstellen, oft in einem Stück, und sich im Anschluss vielseitig weiterbearbeiten.
3. Produzierbarkeit – Verbundwerkstoffe sind in ganz unterschiedlichen Größen und Stärken möglich und  sind im Allgemeinen einfach zu verarbeiten. Sie können nahezu zur gewünschten endgültigen Form des Objekts verarbeitet werden, sodass im Vergleich zu Materialien wie Metall kaum Umform- oder Endbearbeitungsaufwand anfällt.
4. Vielfalt – Es gibt zahllose unterschiedliche Verbundwerkstoffe, von denen jeder einzelne andere Eigenschaften mitbringt. Und darüber hinaus reichen minimale Veränderungen der verwendeten Rohstoffe oder Fertigungsverfahren, um das Verhalten und die möglichen Einsatzgebiete eines Verbundwerkstoffs zu ändern.
5. Isolierung – Viele Verbundwerkstoffe sind nicht wärme- bzw. kälteleitend und damit ideal für Brand- und Explosionsschutz- sowie Minustemperaturanwendungen.
6. Beständigkeit– Die meisten Verbundwerkstoffe sind wasserfest, chemikalien- und auch sonst korrosionsbeständig. Daher eignen sie sich ideal für Outdoor-Umgebungen und raue Bedingungen.  
7. Isotrop – Verbundwerkstoffe haben keine Körnung und können daher nicht splittern wie Holz.

1. Kosten – Rohstoffe, Fertigungsverfahren und die benötigten Werkzeuge für den Umgang mit Verbundwerkstoffen können sehr kostenintensiv sein.

2. Sprödigkeit – Verbundwerkstoffe können spröder als andere Werkstoffe sein und daher schneller beschädigt werden.

3. Reparaturfähigkeit – Die Reparatur von Verbundwerkstoffen ist möglich, kann aber die strukturelle Integrität beeinträchtigen, zeitaufwändig und teuer sein und Spezialwerkzeug erfordern.

4. Recyclingfähigkeit – Verbundwerkstoffe sind aufgrund ihrer Struktur und der festen Verbindung von Matrix und Verstärkungsmaterial in der Regel schwierig zu recyceln.  

5. Inspektionen – Durch die Festigkeit von Verbundwerkstoffen ist es schwieriger, strukturelle Schäden zu erkennen, da Defekte und Schwachstellen unterhalb der Oberfläche liegen können oder optisch nicht vom Rest zu unterscheiden sind.