Handbuch Faserverbundkunststoffe - Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen

3 Grundlagen (S. 17)

3.1 Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe sind Werkstoffe, bei denen verschiedene Komponenten miteinander kombiniert werden. Faserverbundkunststoffe (FVK) oder auch faserverstärkte Kunststoffe sind eine Untergruppe der Verbundwerkstoffe.

Diese sind eine moderne Werkstoff-Klasse, die sich durch ihre maßgeschneiderten Eigenschaften und auf die jeweilige Anwendung zugeschnittenen Verarbeitungsverfahren in fast allen Anwendungsgebieten behauptet haben. So werden beispielsweise großflächige Bauteile wie Boote oder Windkraft-Flügel in großen Kunststoff-Formen oder auch Kunststoff-Werkzeugen mit flüssigen Reaktionsharzen und Verstärkungsmaterial hergestellt.

Andere, kleiner dimensionierte Bauteile, z. B. für die Fahrzeug- oder Elektro-Industrie können aus vorgefertigten Zwischenprodukten in großen Serien in Metallformen mit zwei Formhälften im Press- oder Spritzgieß-Verfahren gefertigt werden.

Faserverstärkte Kunststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass die Fasern – wie Muskelfasern oder Holzfasern – die Kunststoffe verstärken und auf ein höheres mechanisches Niveau anheben. Entscheidend ist dabei das Zusammenspiel zwischen Faser und Kunststoff-Matrix. Fasern alleine können zwar hohe Zugkräfte aufnehmen, aber keine auf Biegung oder Druck beanspruchte Bauteile darstellen.

Unverstärkte Kunststoffe können zwar Bauteile sein, sind aber teilweise spröde (duroplastische Reaktionsharze) oder zu flexibel (Thermoplaste). Erst durch die Kombination von Fasern und Kunststoff und die feste Anbindung der Kunststoff- Matrix an die Fasern können hoch belastbare Bauteile wie Flugzeugteile, Fahrzeugteile oder Sportgeräte wie Skier oder Tennisschläger produziert werden. Verstärkungsfasern sind heute im Wesentlichen Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und Naturfasern.

Diese Fasern haben eine niedrige Dichte und geben den zu verstärkenden Kunststoffen hohe Festigkeit und Steifigkeit. Deshalb haben die verstärkten Kunststoffe bezogen auf das niedrige Gewicht ein hohes Leistungsniveau. In der Nicht-Fachwelt wird oft nur von den Fasern gesprochen, wenn von FVK-Bauteilen wie Fiberglas-Hochsprungstäben oder Kohlenstofffaser-Karosserieteilen die Rede ist.

Immer sind aber die faserverstärkten Kunststoffe gemeint, denn ohne die gestalt- und oberflächengebende Kunststoff-Matrix wären die Bauteile gar nicht herstellbar. Bezeichnungen wie GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) oder CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) sind dagegen richtig.

Höchste mechanische Eigenschaften werden erreicht, wenn die Fasern endlos und gerichtet (unidirektional, isotrop) eingebracht werden. Abminderungen gibt es, wenn die Fasern endlich und ungerichtet (anisotrop) vorliegen. Aber selbst kurze Fasern mit 1 mm Faserlänge können z. B. im Spritzgießverfahren hergestellte Thermoplast-Teile noch verstärken.

In Kenntnis der Belastungsart können faserverstärkte Kunststoffe durch Variation der Faser-Art und Faser- Anordnung je nach Lastfall maßgeschneidert werden. Alle Fasern haben ein nahezu elastisches Verhalten bis zum Bruch, wobei Kohlenstofffasern deutlich steifer und leichter als Glasfasern sind, weshalb diese beispielsweise für Flugzeug- Teile verwendet werden. Nähere Einzelheiten zu den Matrix- und Fasereigenschaften werden in den entsprechenden Kapiteln dieses Handbuches beschreiben.

3.2 Der Markt für Faserverbundkunststoffe

3.2.1 Einordnung in die Kunststoffindustrie und Marktbeschreibung

Im Laufe der letzten fünf Jahrzehnte ist die weltweite Kunststoff-Produktion kontinuierlich um durchschnittlich fast 10 % jährlich gewachsen. Basierend auf den spezifischen Materialeigenschaften hängt diese „Erfolgsstory“ vor allem eng zusammen mit dem hohen Innovationspotenzial der Werkstoffe und dem Substitutionspotenzial gegenüber anderen Materialien. So war in den letzten drei Jahrzehnten das durchschnittliche jährliche Mengenwachstum von Kunststoffen beispielsweise etwa dreimal so hoch wie das von Stahl. Derzeit wird etwa ein Viertel der gesamten Weltproduktion von Kunststoffen in Europa gefertigt.

In Europa ist Deutschland mit einem Drittel dieser Produktion das größte Erzeugerland. Die Kunststoffindustrie ist in Deutschland mit ca. 6 % der gesamten Industrieproduktion ein bedeutender volkswirtschaftlicher Sektor. Die Hauptanwendungsgebiete für den Kunststoff- Verbrauch in Europa sind der Verpackungsbereich, das Bauwesen, der Automotive-Bereich und die Elektronik- & Elektro-Industrie.