Fachwissen Duroplaste Formenbau mit Faser-Verbund-Kunststoffen PDF

DK.OD103_Materialgrundlagen // Kunststoff DK.XS103.18 Materialgrundlagen // Kunststoff Duroplaste Formenbau mit Faser-Verbund-Kunststoffen Historie der Faserverbundwerkstoffe Die Faserverbundbauweise ist keine Erfindung neuzeitlicher Technik, sondern eine Evolutionslösung der Natur. In Jahrmillio...

DK.OD103_Materialgrundlagen // Kunststoff DK.XS103.18 Materialgrundlagen // Kunststoff Duroplaste Formenbau mit Faser-Verbund-Kunststoffen Historie der Faserverbundwerkstoffe Die Faserverbundbauweise ist keine Erfindung neuzeitlicher Technik, sondern eine Evolutionslösung der Natur. In Jahrmillionen langer Evolution hat die Natur das Prinzip, Kräfte durch hochfeste Fasern aufnehmen zu lassen, als bestgeeignetes Leichtbauprinzip herausgebildet. In Faserform verfügen Werkstoffe über deutlich höhere Steifigkeiten und Festigkeiten als in kompakter Form. Natürliche Faserverbundstrukturen finden sich z.B. in den Tragstrukturen von Pflanzen; die „tragenden“ Stängel sind aus Fasern aufgebaut. Weitere biologische Faserverbundkonstruktionen sind die Muskulatur und der Knochenbau. Knochen mit ihrer kompakten Aussenschicht und dem zellartigen Kern bestehen aus Fasern (Collagen) in anorganischer Substanz. Der zellartige Kern – die Spongiosabalken – passen sich in ihrem Wachstum der Belastung an; sie verlaufen in Richtung der Hauptspannungslinien. Die Panzerung von Dinosauriern sowie von Schildkröten weisen eindeutig den Belastungen angepasste Faserstrukturen auf. Auch die Tierwelt nutzt die Verstärkungs- wirkung von Fasern. So erhöht der Mauersegler die Festigkeit seines Nestes, indem er Haare, Federchen usw. in dessen Wand integriert. Auch der älteste Konstruktionswerkstoff des Menschen, das Holz, ist ein Faserverbundwerkstoff: hochfeste Cellulosefasern, eingebettet in eine Matrix aus Lignin. Holz repräsentiert in idealer Weise die wichtigsten Eigenschaften eines Leichtbauwerkstoffes: eine niedrige Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit. Jahrtausende lang wurden die meisten menschlichen Konstruktionen wie Häuser, Fahrzeuge, Schiffe usw. sowie die ersten Flugzeuge aus dem natürlichen Faserverbundwerkstoff Holz hergestellt. Erst in den letzten Jahrhunderten haben Metalle Holz in vielen Bereichen verdrängt. Die Verwandtschaft zwischen Holz und den neuen, künstlichen Faserverbunden drückt sich auch darin aus, dass man Benennungen, Berechnungsver- fahren und Konstruktionsprinzipien aus dem Holzbau teilweise in die Faserverbundtechnik übernommen hat. Die hohe Festigkeit von Fasern und die daraus nutzbare Verstärkungswirkung, z.B. von Flachs, Hanf, Sisal, Wolle, Haare usw. waren den Menschen schon sehr früh bekannt. So verstärkten die Ägypter vor 3000 Jahren Lehmziegel durch Stroh oder andere Pflanzenfasern. In China tauchen im Zeitraum zwischen 480 – 221 v.Chr. verzierte Faserverbund-Gebrauchsgegenstände wie Schalen, Kästen und Becher, gefertigt in der sogenannten „Trockenlack-Technik“ auf. Als Matrix diente Naturlack aus dem Saft des Lackbaumes, als Faserverstärkung Gewebe aus Hanf oder Ramie. Laminiert wurde über Holz- oder Tonkerne. Derartig gefertigte Gegenstände werden im Chinesischen anschaulich tuotai („körperlos“, da ohne Holzkern) oder auch jiachu („dazwischengelegter Hanf“) genannt. Die Gefässe sind dünnwandig und extrem leicht. Vorbild waren aus Metall getriebene Gebrauchsgegenstände. Auch die heute im Bootbau vielfach angewendete Technik, den hölzernen Rumpf durch einen Überzug aus einer Faserverbundschicht zu schützen und Rissbildung im Holz zu verhindern, wurde bei vielen Gefässen mit einem Holzkern angewendet. Noch heute werden in China und Japan reich verzierte Schachteln und Dosen nach dieser Technik von Lackmeistern gefertigt. Eine analoge Umsetzung des Faserverbundprinzips findet sich im Bauwesen, die Verstärkung von Beton durch Stahldrähte, erfunden 1849 durch den französischen Gärtner Monier. Neben dem Leichtbauprinzip, Kräfte von Fasern aufnehmen zu lassen, liegt den Faserverbundwerkstoffen ein wichtiges Prinzip zugrunde: Verschiedene Werkstoffe werden miteinander kombiniert, um Teil-Mängel der Einzelstoffe in der Werkstoffkombination auszugleichen. Aber auch dieses Prinzip der Werkstoffsynthese, mit dem Ziel höherwertige Werkstoffe zu schaffen, war der technischen Zivilisation schon lange bekannt. Im Grabmal Tut-Anch-Amuns (ca. 1340 v. Chr.) wurden Verbund-Bögen gefunden, bei denen auf der biege-zugbeanspruchten Seite zur Erhöhung der Belastbarkeit Tiersehnen aufgeklebt waren, auf der biege-druckbeanspruchten Bogenseite druckfestes Horn. Eine frühe Bestätigung findet der Verbundgedanke auch in der Damaszenerklinge, bei der wechselweise harte Stahlschichten mit zähen zusammengeschmiedet werden. Die Hartschichten garantieren die Schneidhaltigkeit der Klinge, durch die zähen Schichten wurde ein sprödes Bruchverhalten bei Schlagbeanspruchung vermieden. Es sei erwähnt, dass ein Verbund aus verschiedenen Werkstoffen nicht nur Vorteile, sondern auch Probleme mit sich bringt, z.B. Eigenspannungen infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnung. Das Entstehen und die Verbreitung der neuen Werkstoffgruppe Faser-Kunststoff-Verbund (FKW) im 20. Jahrhundert sind eng mit der Entwicklung von Kunststoffen, insbesondere der Kunstharze verknüpft. Sie stellen die idealen Kleber für die Faserkonstruktionen dar. Sie sind leicht, haften sehr gut auf den Fasern, sind sehr korrosionsbeständig und ihre Verarbeitung, die Tränkung der Fasern ist einfach, z.T. handwerklich zu bewerkstelligen. Technische Faser-Kunststoff-Verbunde für hochbelastete Strukturen wurden zum ersten Mal 1936 in Deutschland verwendet. Die Gebrüder Horten bauten mit Unterstützung der Fa. Dynamit Nobel die Tragflächen eines Segelflugzeuges aus mit Papier verstärkten Phenolharzplatten. Lokal verbesserte man die Schlagfestigkeit durch Einbetten von Stahldrahtgewebe. Es konnte gegenüber der Ausführung in Holz etwa 15% Gewichtsersparnis erreicht werden. 1942 wurden in den USA ebenfalls Flugzeugkomponenten in FKV gefertigt. Eingesetzt wurden Glasfasern, die ursprünglich als Elektro-Isolationsmaterial Verwendung fanden, und als Matrix ungesättigte Polyesterharze. Die mechanische Festigkeit dieser Verbunde liess allerdings noch zu wünschen übrig. Aufgrund des hohen Volumenschrumpfes der Matrix kam nur eine mangelhafte Verbindung zu den Fasern zustande, so dass die Festigkeit der Fasern nicht optimal ausgeschöpft werden konnte. Wesentlich bessere mechanische Eigenschaften konnten durch den Einsatz von Epoxidharzen erzielt werden, die über ein besonders gutes Haftungsvermögen verfügen. Die ersten Epoxidharze synthetisierte Castan um 1930 in der Schweiz. 1944 wurde in den USA ein Flugzeugrumpf, bestehend aus einer Glasfaser- Kunststoff-Sandwich Struktur erfolgreich erprobt. Das erste erfolgreiche Serienfertigungsverfahren, die Faser-Wickeltechnik, stammt aus dem Jahr 1945. Aus: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden Helmut Schürmann, Springer Verlag 2005 ISBN 3-540-40283-7 Konstruieren mit Faserverbundwerkstoffen Allgemein ordnet man die Faserverbundwerkstoffe den Werkstoffen zu. Streng genommen stellen sie jedoch in erster Linie eine Bauweise, bzw. ein Konstruktionsprinzip dar. Heute versteht man unter einem Faserverbundwerkstoff (composites) einen Verbund aus hochfesten Fasern – in der Regel Glas- oder Kohlenstofffasern – und einem Kunststoff. Daneben gibt es eine Reihe anderer Faserverbundwerkstoffe, wie z.B. faserverstärkte Metalle (metall matrix composites, MMC) oder Keramiken. Um einer Verwechslungsgefahr zu begegnen, muss die präzise Bezeichnung lauten: Faser-Verbund-Kunststoff (FVK). Gegenüber anderen klassischen Konstruktionswerkstoffen, wie z.B. den Metallen, besitzen die FVK vor allem die Vorteile hoher Festigkeit und hoher Steifigkeit bei gleichzeitig sehr niedriger Dichte. Dies sind die Charakteristika eines idealen Leichtbau-Werkstoffs. Geschätzt sind neben dem Werkstoffleichtbau die Möglichkeiten freier Formgestaltungen und der kostengünstigen Integration mehrerer Einzelkomponenten. Vergleichende Gesamt-Energiebilanzen weisen FKV als sehr günstigen Werkstoff aus; bei der Herstellung, aber insbesondere in der Nutzungsphase, kann durch FVK im Vergleich zu Metallen häufig beträchtlich Energie eingespart werden. Weite Verbreitung haben FVK in allen Bereichen immer dann gefunden, wenn nur Einzelstücke oder Kleinserien anzufertigen sind. Erst nach und nach zeichnen sich die Möglichkeiten einer automatisierten Produktion ab. FVK sind mit einfachsten Mitteln handwerklich zu verarbeiten. Hochbelastbare Prototypen lassen sich deshalb rasch und kostengünstig anfertigen. Breite Anwendungen von Faser-Verbund-Kunststoff finden sich seit etwa 1960. Die Entwicklung lief in den einzelnen Branchen unterschiedlich, da jede andere Erwartungen an diesen Werkstoff hegte. Eine Pionierrrolle nahm die Luft- und Raumfahrtindustrie ein, die ständig auf der Suche nach besseren Leichtbau- Werkstoffen ist. Die unterschiedlichen, aber gleichberechtigten Funktionen von Fasern und Matrix drücken sich in der Benennung aus: Man spricht von Faser-Kunststoff-Verbunden, d.h. beide Komponenten werden – verbunden durch einen Bindestrich – nebeneinander aufgeführt. Bezeichnung der Verbundwerkstoffe: 1. Werkstoff und Form der verstärkenden Phase 2. Nachgestellter Name der Matrix – FVW: Faserverbundwerkstoff (als Oberbegriff) – FVK: Faserverbundkunststoff (FVK mit Kunststoffmatrix) – GFK: Kunststoff mit Glasfaser-Verstärkung (G-Fasern) – CFK: Kunststoff mit Kohlenstofffaser-Verstärkung (C-Fasern) – AFK: Kunststoff mit Aramidfaser-Verstärkung (A-Fasern) – SFK: Kunststoff mit Synthesefaser-Verstärkung (z. Aramid, PE...) – NFK: Kunststoff mit Naturfaser-Verstärkung (z.B. Flachs, Sisal …) Funktionen des Verbundes Matrix: - Die Matrix gibt dem Faserverbundwerkstoff sein Aussehen. - Sowohl der Farbe als auch der Oberflächenstruktur sind kaum Grenzen gesetzt. - In mechanischer Hinsicht muss sie die verstärkenden Fasern in ihrer Position halten und Spannungen zwischen ihnen übertragen und verteilen. - In Bezug auf die Dauerhaftigkeit hat sie die Aufgabe, die Fasern vor äusseren mechanischen und chemischen Einflüssen zu schützen. Faser: - Die Fasern geben dem Faserverbundwerkstoff die notwendige Festigkeit. - Neben der Zugfestigkeit kann, falls der Werkstoff auf Druck beansprucht wird, auch die Biegefestigkeit eine Rolle spielen. Grenzschicht: - Die Grenzschicht dient der Spannungsübertragung zwischen den beiden Komponenten. Sie überträgt ausschliesslich Schub über die Klebehaftung. - Die Fasern werden vor dem ersten Kontakt mit der Matrix mit einem Kopplungsmittel beschichtet, welches chemisch mit beiden Komponenten reagieren kann und einen möglichst ununterbrochenen Übergang garantiert. Einfluss der Verstärkung Übersicht: Länge der Verstärkungsfaser Unter dem Begriff Matrix wird allgemein eine Bettungsmasse (z.B. Epoxidharz) verstanden, die die Fasern umgibt. Dies sind bei FKV Kunststoffe, bei anderen Verbunden können es aber auch Metalle, Keramiken, Gläser, Beton usw. sein. Matrixwerkstoffe: Ungesättigte Polyesterharze (UP) (1.5€/kg): Leicht verarbeitbar, gute physikalische Eigenschaften, kostengünstig Epoxidharze (EP) (15€/kg): Geringe Schwindung bei der Härtung, gute Adhäsion gegenüber andern Materialien, hohe statische und dynamische mechanische Eigenschaften. Weitere Harze: für spezielle Anforderungen, z.B. bei hoher thermischer Beanspruchung: Vinylesterharz (VE), Phenolharz (PF), Melaminharz (MF), Polyimidharz (PI), Siliconharz, Thermoplaste Thermoplaste: In amorpher und teilkristalliner Form mit Kurz- oder Langfasern oder sphärischen Partikeln sowie für grossflächige Bauteile mit Glasmatten. Die Matrix erfüllt eine Reihe notwendiger Aufgaben, ist aber häufig der Schwachpunkt des Werkstoffs. Die Aufgabenteilung in einem Faser-Kunststoff-Verbund sieht für die Fasern vor, dass sie die am Bauteil anliegenden Lasten übernehmen. Hierzu müssen sie hohe Steifigkeiten und Festigkeiten mitbringen. Es gibt eine Fülle natürlicher und künstlicher Fasern, die sich als lasttragende Elemente eignen: - Naturfasern wie: Haare, Wolle, Seide, Baumwolle, Flachs, Sisal, Hanf, Jutte, Ramie... - Organische Fasern wie: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyester (PES), Aramid (Aromatische Polyamid), Kohlenstoff... - Anorganische Fasern wie: Glas, Quarz, Bor... - Metallfasern aus: Stahl, Aluminium, Kupfer, Nickel, Beryllium, Wolfram... Naturfasern liegen immer nur in kürzeren Längen vor. Fasern begrenzter Länge nennt man Stapelfasern. Um einen quasi endlos langen Faden zu erhalten, müssen Stapelfasern miteinander verdreht werden. Die Einzelfasern werden dann über Reibung fixiert. Synthetische Fasern hingegen können endlos hergestellt werden. Einen endlosen Faden nennt man Filament. Wird eine gleichbleibende Anzahl von Filamenten zur Weiterverarbeitung zusammengefasst, so nennt man dieses Filamentbündel Garn. Einen nennenswerten Marktanteil bei Faser-Kunststoff-Verbunden haben nur die Glas-, die Kohlenstoff- und die Aramidfasern erreicht. Vereinzelt werden auch Naturfasern eingesetzt, mit dem Ziel, vermehrt nachwachsende Rohstoffe in Konstruktionen einzubeziehen. Alle andern Fasertypen kommen nur bei besonderen Anforderungen zum Einsatz, z.B. Kupfer- oder Aluminiumfasern zur elektrischen Abschirmung. 1. Glasfasern Die Glasfaser ist wahrscheinlich die erste von Menschenhand künstlich hergestellte Faser. Entwickelt wurde das Ziehen von Glasfäden in Ägypten vor etwa 3500 Jahren. Die erste industrielle Herstellung von Glasfäden von Endlos-Textilglas datiert aus dem Jahr 1935 (USA). Die Fasern kamen in Elektroanwendungen zum Einsatz, die hohen Temperaturen ausgesetzt waren. Glasfasern werden hauptsächlich im Schmelzspinnverfahren hergestellt. Der Rohstoff (SiO2 = Quarz) wird bei etwa 1400°C zu Glas geschmolzen und dann zu einem Boden mit 400 bis 6000 Spinndüsen geleitet, deren Durchmesser etwa 1-2mm beträgt. Das austretende, sich im zähflüssigen Zustand befindliche Glas wird mit hoher Geschwindigkeit auf Durchmesser von 5-24μm ausgezogen und erstarrt in Bruchteilen einer Sekunde. Unterhalb der Düse erhalten die Fasern einen sehr feinen Überzug (0,5-1%) aus einer sogenannten „Schlichte“, die die scheuerempfindlichen Fasern schützen und – je nach Schlichtetyp – die Haftung zur Matrix verbessern soll. Dabei werden die einzelnen Fasern zu einem Spinnfaden zusammengefasst, d.h. durch die Schlichte miteinander verklebt und auf Spulen zu Garnen (Glasfilamentgarne) aufgewickelt. Dabei erhält der Spinnfaden, bei dem die Filamente noch parallel liegen, eine bestimmte Anzahl von Drehungen. Dadurch wird das Faserbündel enger gebunden und lässt sich leichter weiter verarbeiten. Fasst man mehrere Spinnfaden ungedreht zusammen, so erhält man einen Faserstrang, den sogenannten assemblierten Roving. Die Feinheit eines Garns oder Rovings wird in der Einheit tex (g/km) angegeben. Handelsüblich sind bei Garnen Feinheiten 34, 68, oder 136 tex, bei Rovings 160, 320, 600, 900, 1200, 2400 und 4800 tex. Garne werden zumeist zu textilen Halbzeugen weiterverarbeitet, z.B. zu Geweben; Rovings werden direkt zur Verstärkung, z.B. im Wickelverfahren eingesetzt. Zu den besonderen Vorteilen der Glasfasern gehören: - sehr hohe Zugfestigkeit und Bruchdehnung - gute Drapierbarkeit auch um enge Radien - die vollkommene Unbrennbarkeit - die sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme - gute chemische und mikrobiologische Widerstandsfähigkeit - die Tränkung der Glasfasern ist visuell hervorragend kontrollierbar, Luftblasen sind sofort erkennbar - Transparenz - Im Vergleich zu anderen gängigen Verstärkungsfasern sind sie am preiswertesten - Isotropes Verhalten - Mengenmässig wichtigste und preisgünstigste Verstärkungsfasern Aufgrund von chemischer Zusammensetzung und Eigenschafts- bzw. Eignungsprofil werden primär unterschieden: - C-Glas: chemisch beständig - D-Glas: dielektrisch hochwertig - E-Glas: elektrisch hochwertig, i.a. alkalifrei (1€/kg) - M-Glas: hochsteif (hoher Modul) - R-Glas: hochfestes Glas (Resistance) - S-Glas: hochfestes Glas (Strength) 2. Kohlenstofffasern Kohlenstoff-, Carbon- oder C-Fasern (carbon fibers) sind unter den Verstärkungsfasern wohl diejenigen mit den herausragendsten Eigenschaften. Aus der Erkenntnis heraus, dass mit Glasfasern aufgrund des niedrigen Elastizitätsmoduls viele Bauteile wegen zu niedriger Steifigkeit nicht ausführbar sind, machte man sich Ende der 1950er Jahre auf die Suche nach Alternativen. Mit aus Baumwollfasern oder Bambusfasern hergestellten Kohlenstofffasern experimentierte man schon um 1878 mit dem Ziel, langzeitbeständige Fäden für Glühlampen zu erzeugen (Edison, Swan). Diese Fasern haben jedoch mit den modernen Verstärkungsfasern wenig gemein. Elementarer Kohlenstoff kommt in der Natur nur in Form von Naturgraphit oder Diamant vor; beide sind aber wegen Unschmelzbarkeit und Unlöslichkeit nicht direkt, z.B. im Spinnverfahren, zur Herstellung von Kohlenstofffasern geeignet. Daher untersuchte man folgende Verfahren für das Erzeugen von faserförmigem Kohlenstoff: - chemisches Abscheiden von Kohlenstoff auf Trägerdrähten - Abbau von vorgeformten organischen Fasern Letzteres Verfahren brachte den grosstechnischen Durchbruch. Die ersten hochfesten Kohlenstofffasern wurden auf Basis von Cellulosefasern hergestellt. Die Kohlenstoffausbeute war jedoch gering. 1961 wurde berichtet, dass die weitverbreitete Textilfaser Polyacrylnitril (PAN) ein geeignetes Ausgangsmaterial für C- Fasern sei. Seit 1977 hat sich dieses Faservorprodukt (Precursor) soweit durchgesetzt, dass über 90% des Marktes hierauf basiert. Die Herstellung von C-Fasern vollzieht sich in folgenden Schritten: Stufe 1: Stabilisieren, d.h. Überführen des thermisch nicht stabilen PAN- Ausgangsmaterials bei 180-350°C in oxidativer Atmosphäre in eine unschmelzbare Struktur. Stufe 2: Carbonisierung unter Stickstoffatmosphäre und ohne Spannung bei hoher Aufheizgeschwindigkeit (ca. 600°C) und Temperaturen bis 1500°C. Stufe 3: Je nach gewünschtem Elastizitätsmodul werden die Fasern bei Temperaturen von 2000-3000°C einer Graphitierung unterworfen. Je höher die Ausgangsfaser orientiert ist und je stärker die Fasern während des Stabilisierens, Carbonisierens und der Graphitierung verstreckt werden, um so mehr erhöht sich die Orientierung der Graphitebenen parallel zur Faserachse! Auf diese Weise lässt sich das E-Modul der Faser steigern, bzw. in weiten Bereichen variieren. Den Abschluss einer C-Faser-Fertigungslinie bildet die Station zur Oberflächenbehandlung der C-Fasern. Wie bei allen Kohlenstoffen, so können auch auf C-Faser-Oberflächen stabile Oberflächenoxide erzeugt werden, die mit funktionellen Gruppen der Polymermatrix chemisch reagieren. Diese Oberflächenoxide verbessern deutlich die Haftung der Matrix zur C-Faser. Wie bei den Glasfasern werden dünne Polymerschichten zum Schutz der Fasern bei der Weiterverarbeitung und zur Verbesserung der Haftung aufgebracht. Meist werden modifizierte Epoxidharze als Schlichte verwendet. Kohlenstofffasern besitzen viele Vorteile: - C-Fasern sind sehr leicht - Extrem hohe Festigkeiten und sehr hohe Elastizitätsmodule - Exzellente Ermüdungsfestigkeiten - Beständig gegen Säuren und Alkalien - Teuer im Preis (ab 15€/kg Roving) - anisotropes Verhalten Typische Eigenschaften von HT-Kohlenstofffasern - Dichte 1,8 g/cm3 - Filamentdurchmesser 6 μm - Zugfestigkeit 3530 N/mm2 - Zug-E-Modul 230 Gpa - Bruchdehnung 1,5 % Aufgrund des Eigenschaftsprofils werden unterschieden: - HT –High Tenacity - IM – Intermediate Modulus - HM – High Modulus - UM – Ultra Modulus - UHM – Ultra High Modulus - UMS – Ultra Modulus Strength - HMS – High Modulus Strength 3. Sythesefaser / Aramidfasern Polymerfasern werden als Verstärkungsfasern in Faser-Kunststoff-Verbunden seltener eingesetzt. Zwar existieren eine Reihe hochfester Fasern mit punktuell ausgezeichneten Eigenschaften. Leider weisen sie aber selten ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil auf. Breitere Anwendungen haben bisher nur Aramidfasern und Polyethylenfasern gefunden. Die Aramidfaser war die erste polymere Hochleistungsfaser, die Anfang der 1970er Jahren auf den Markt kam. Die Aramidfaser (Handelsname Kevlar®, Twaron®, Technora®) ist ein aromatisches Polyamid und wird als flüssig-kristalline Lösung versponnen und anschliessend bei erhöhter Temperatur gereckt. Wie bei Glas- und Kohlenstofffasern wird teilweise auch hier zum Abschluss des Prozesses eine Schutzschicht, eine sogenannte „Avivage“ aufgebracht. Diese Avivagen ergeben zu Epoxidharzen eine ausreichende Haftung. Aramidfasern bieten eine Reihe von Vorteilen: - besonders leichte Faser (Gewichtseinsparungen) - sehr gute Zugfestigkeiten und Elastizitätsmodul doppelt so hoch wie Glasfasern - grosse Ermüdungsfestigkeiten - herausragend ist vor allem die hohe Zähigkeit der Aramidfasern - sehr geeignet für schlagbeanspruchte Laminate - sehr gute Hybridgewebe CF / AF - sehr geeignet für ballistischen Schutz, nur AF ohne Matrix (z.B. schusssichere Westen) - sehr geeignet als Rissstopperschichten in Laminaten - Einsatzgebiete in Reifen, Keil- und Zahnriemen, Hydraulikschläuchen, Tauen, Arbeits Schutzbekleidungen und Schutzhandschuhen, sowie besonders im Sportbereich Die gebräuchlichsten und bekanntesten Werkstoffe sind: - Aramid (z.B. Kevlar, Twaron) - Polyacrylnitril - Polyamid (z.B. Dyneema) - Polyester - Polyethylen Zu beachten ist hingegen, dass - Aramidfasern nur über geringe Druckfestigkeit verfügen - die Wasseraufnahme gross ist (Haftungsprobleme mit der Matrix), u.U. ist Vortrocknung erforderlich - Aramidfasern durch UV-Licht abgebaut werden (lichtgeschützte Lagerung der Fasern erforderlich); bei Bauteilen jedoch unproblematisch, da Laminate mit pigmentierten Lacken abgedeckt werden können. - der Vorteil der Zähigkeit bei der Bearbeitung ein Nachteil ist (Spezialwerkzeuge erforderlich) 4. Naturfasern - hygroskopisch (ohne besondere Behandlung) - anisotropes Verhalten - derzeit noch Nischenprodukte für spezielle Anwendungen Wichtigste natürliche Faserwerkstoffe sind u.a.: Flachs, Hanf, Jute , Sisal Lagerungs- und Verarbeitungshinweise Fasern - Fasern sind kühl und trocken zu lagern - Aramidfasern in schwarzer Folie lichtgeschützt lagern - Überlange Lagerzeiten vermeiden (siehe Hinweise der Hersteller) - Beschädigungen und Bruch der einzelnen Filamente sind zu vermeiden - Fasern nicht mit blossen Händen berühren (Hautabsonderungen wirken als Trennmittel), Baumwollhandschuhe tragen! - Fasern dürfen nicht mit Lösungsmitteln benetzt werden - Für hochwertige Laminate sind Aramidfasern vor der Verarbeitungen zu trocknen - Fasern kurz vor der Verarbeitung erwärmen, damit sich eine gute Benetzung mit der Matrix ergibt - Kohlenstofffasern sind elektrisch gut leitfähig. Elektrische Maschinen und ihre Steuerungselektronik müssen unbedingt gegen das Einsaugen von Filamentbruchstücken und Abriebpartikel geschützt werden. - Anwendungstechnische Abteilungen der Hersteller konsultieren Eigenschaften verschiedener Fasern: Verarbeitungsform der Fasern Fasern und Fäden: - Filament: Elementarfaser - Stapelfasern bestehen aus parallel liegenden Fasern endlicher Länge - Spinnfäden bestehen aus den Filamenten - Durch Verdrehen der Spinnfäden (10 bis 40 Drehungen pro Meter) entstehen Filamentgarne. - Hybridgarne bestehen aus zwei oder mehr unterschiedlichen Fasermaterialien. - Rovings sind Stränge von parallel nebeneinander liegenden, nicht verdrehten Spinnfäden. - Zwirn besteht aus zwei oder mehreren einfachen oder gefachten Garnen. Matten und Vliese: sind Flächengebilde aus ungeordnet übereinander liegenden Fasern - Wirrfasermatten sind die am meisten verarbeiteten textilen Halbzeuge, die in grossem Umfang vor allem bei GMT- und SMC-Halbzeugen (Fliesspressprozesse, siehe unten) eingesetzt werden. Ein weiteres Einsatzgebiet sind Harzinjektionsprozesse, da Wirrfasermatten leicht zu imprägnieren sind. - Es wird grundsätzlich zwischen geschnittenen und endlosen Fasern und deren Ausrichtung unterschieden. Bei vernadelten Vliesen ist ein Teil der Fasern in Dickenrichtung ausgerichtet. Endlos-Fasermatte Schnitt-Fasermatte Vernadelte-Fasermatte Gewebe: Textile Verstärkungssysteme sind im allgemeinen zweidimensional, d.h. flächig angeordnet. Für spezielle Anwendungen werden aber auch dreidimensionale Verstärkungsgebilde hergestellt, wie z. B. sphärische Gewebe, Abstandsgewebe, Abstandsgewirke, kartesisch-räumliche Geflechte usw. - In Geweben werden Rovings rechtwinklig zueinander verwoben - Kette und Schuss – Mischgewebe Wichtigste Gewebearten: - Leinwandbindung: einfache Grundbindung, relativ steif, gut dimensionsstabil - Köperbindung: geringere Fadenablenkung, gut drapierbar - Atlasbindung (auch: Satin): Hohe Drapierbarkeit - Dreherbindung - Panamabindung Leinwandbindung Körperbindung Panamabindung Atlasbindung Drapierbarkeit von Gewebe Unter Drapierbarkeit wird die sphärische Verformbarkeit eines textilen Flächengebildes ohne Faltenbildung verstanden. Wie man in den Abbildungen unten sieht, lassen sich mit einer Köperbindung Kugelhalbschalen drapieren. Das die Faserlänge on 0° und 90° Richtung konstant bleibt, wird das ursprünglich rechteckig zugeschnittene Gewebe stark tailliert. 0°/90° Glasfasergewebe 0°/90° Kohle/Aramid- Hybridgewebe Gelege Gegenüber den Geweben zeichnen sich Gelege durch die beim Ablegen nicht ondulierten Faserbündel aus. Dementsprechend ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften der Verstärkungsfasern optimal auszunutzen, da diese direkt in Faserrichtung belastet werden können. Gelege bieten darüber hinaus neue Möglichkeiten bei der Realisierung unterschiedlicher Faserorientierungen (-20 bis +60° relativ zur Produktionsrichtung). Die Anzahl der abgelegten Lagen richtet sich nach der Anzahl der zur Verfügung stehenden Legeeinrichtungen. Es entstehen sogenannte Non Crimped Fabrics NCF. Verstärkungsarten: Die Halbzeuge können auch nach der Dimension der Verstärkungswirkung eingeteilt werden. Je nach Belastungszustand im Bauteil können..... einachsige Verstärkung (Unidirektional, UD)... zweiachsige Verstärkung (Bidirektional, BD)... dreiachsige Verstärkung vorgesehen werden. Abhängig davon, wie die Fasern angeordnet sind, resultiert eine anisotrope oder quasi- isotrope Verstärkung des Bauteils Quellen: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, Helmut Schürmann, Springer Verlag 2005 ISBN 3-540-40283-7 Handout Werner Mülller, HSLU Theorieunterricht FVW, Gion Andrea Barandun,IWK Hochschule für Technik Rapperswil CTM Composite-Leitfaden http://www.ctmat.de Duroplast / Faser-Verbund_Kunststoff Begriffe, Bauteilplanung und Formenbau Begriffserklärung Datenblatt Auf den Datenblättern werden die Eigenschaften der Produkte angegeben. Sie werden unterschieden in Verarbeitungs- daten und physikalische Daten. Sämtliche Daten werden nach Verfahren ermittelt, die in nationalen und internationalen Normen festgelegt wurden oder intern beschrieben sind. Da Kunststoffe in ihrem Eigenschaftsbild von der Temperatur abhängig sind, ist es für alle diese Verfahren wichtig, sie bei einer Normtemperatur durchzuführen. Diese beträgt für die physikalischen Daten 23 °C – mit Ausnahme der Verfahren zur Beschreibung der Eigenschaften bei höheren Temperaturen. Für die Verarbeitungsdaten sind andere, aber allgemein übliche Temperaturen relevant (siehe Datenblatt). Verarbeitungsdaten Die Verarbeitungsdaten geben Auskunft über die Eigenschaften, die – wie der Name schon sagt – für die Verarbeitung wichtig sind: Farbe Die Farbe kann in einzelnen Fällen für op- tische Zwecke relevant sein. Meist dient sie nur zur Unterscheidung der einzelnen Komponenten. Bei Laminatpasten beispielsweise hilft sie zu erkennen, ob die Komponenten ausreichend miteinander vermischt sind. Es werden keine Farbnormkarten o. ä. zur Bestimmung eingesetzt. Viskosität Unter der Viskosität versteht man die „Zähigkeit“ einer Flüssigkeit oder eines Gases. Spricht man von Viskosität, soll in der Regel das Fließverhalten einer Flüssigkeit charakterisiert werden. Je höher die Viskosität des- to dickflüssiger ist die Substanz. Ist die Viskosität sehr hoch, können unter Umständen feine Konturen nicht dargestellt werden oder es ist der Einsatz von Vakuum erforderlich. Viskositätswerte in mPas bei 25 °C: Wasser 1 Olivenöl 1000 Honig 10’000 Dichte (ρ) Die Dichte (ρ) ist als das Verhältnis der Masse m eines Körpers zu seinem Volumen V definiert: ρ= m / V, [kg/dm3 = kg/l = g/cm3] Meist ist nur das Volumen eines herzustellenden Teiles oder einer Form bekannt. Über die Dichte kann man dann die Masse bestimmen und über eine Waage entsprechend dosieren. Umrechnung: m = ρ V Topfzeit Unter Topfzeit versteht man den Verarbeitungszeitraum von reaktiven Materialien, d.h. die Topfzeit ist die Zeit zwischen dem Anmischen eines Zwei – oder Mehrkomponentensystem und dem Beginn des Abbindens. Das Ende der Topfzeit zeigt sich durch einen deutlichen Viskositätsanstieg, der eine weitere Verarbeitung verhindert. Entformungszeit Die Entformungszeit ist die Dauer, die das Material braucht, um eine ausreichende Festigkeit zur Entformung zu erreichen. Nach dieser Zeit ist das Material dimensionsstabil. Die endgültigen physikalischen Werte sind allerdings noch nicht erreicht. Die Entformungszeit lässt sich verkürzen durch Lagern des vergossenen Materials bei leicht erhöhter Temperatur. Physikalische Daten Die physikalischen Daten beschreiben die mechanischen, thermischen, elektrischen und technischen Eigenschaften der Materialien nach der vollständigen Aushärtung. Die Werte geben Auskunft ob der ausgehärtete Kunststoff für die Anwendung geeignet ist. (die Liste nur beispielhaft und ist nicht vollständig) Shore Härte (DIN ISO 7619-1) Durch die Härteprüfung nach Shore A und D ermittelt man den Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen einer definierten Prüfspitze entgegenbringt. Das Maß für die Härte ist die Eindringtiefe, wobei die Kraft mittels einer geeichten Feder aufgebracht wird. Es gibt zwei Härteskalen: Shore D- Skala ist für härtere Werkstoffe vorgesehen; es wird mit einem Kegel (Nadel mit einer abgerundeten Spitze, R = 0,1 mm) gemes- sen. Shore A-Skala ist für weiche (gummi- artige) Werkstoffe vorgesehen; es wird mit einem Kegelstumpf gemessen. Für sehr weiche Materialien gibt es auch noch die Shore 00-Skala. Bruchdehnung Die Bruchdehnung ist ein Kennwert, der angibt um wieviel Prozent sich ein Material plastisch dehnen lässt, bevor es zum Bruch kommt. Bei Elastomeren wird die Bruchdehnung auch als Reißdehnung bezeichnet. Weiterreisswiderstand (TS) (DIN EN ISO 34-1) Der Weiterreißwiderstand in kN/m ist die maximale Kraft die notwendig ist, um einen Riss in einem spezifizierten Probekörper zu erzeugen, bezogen auf die Dicke des Probekörpers. Es werden dabei Winkelproben, mit oder ohne Einschnitt, bogenförmige oder Streifenproben verwendet. Die Ergebnisse sind sehr unterschiedlich, weshalb die verwendeten Probekörper stets angegeben werden. Der Weiterreißwiderstand wird vor allem bei Elastomeren gemessen. Festigkeiten / Spannung (σ) Festigkeiten werden ermittelt, indem man eine Kraft auf einen Probekörper wirken lässt, so dass dieser sich verformt. Durch die Verformung entstehen Spannungen im Probekörper. Die Spannung (σ) ist das Verhältnis von Kraft (F) zur Fläche (A), auf welche die Kraft (F) wirkt: Die Bruchfestigkeit ist die maximale mechanische Spannung, die unter gleichmäßiger, langsamer Steigerung der Belastung bei einem Bauteil noch nicht zum Bruch führt. Ein Überschreiten der Bruchfestigkeit führt zur Zerstörung des Probekörpers. Je nach Art der Belastung unterscheidet man in Biege –, Zug –, Druck –, Schub – oder Torsionsfestigkeit. Elastizitätsmodul (E) Der Elastizitätsmodul (E), kurz E – Modul, beschreibt das Verhältnis zwischen Spannung (σ) und Dehnung (ε) bei mechanischer Beanspruchung eines festen Körpers. Der E-Modul ist die Steigung einer Kurve im Spannungs-Dehnungs-Diagramm und kennzeichnet die Steifigkeit des Werkstoffes. Der Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Kurve ist bei Kunststoffen nicht immer linear. Meist ist ein Abflachen der Kurve zu beobachten. Ein hoher E-Modul, bei unverstärkten Kunststoffen größer 2000 MPa, bedeutet eine hohe Steifigkeit, ein niedriger E-Modul bedeutet leichte Verformbarkeit Entsprechend der Belastung resultieren andere E – Moduln. Der E – Modul z.B. aus dem Biegeversuch ist ein anderer als der aus dem Zugversuch. Dies muss bei der Materialauswahl beachtet werden. Wärmeformbeständigkeit Die Wärmeformbeständigkeit ist die Temperatur, bis zu der ein Prüfkörper bei bestimmter ruhender Beanspruchung seine Form weitgehend bewahrt. Bauteilplanung Bei der Bauteilplanung ist darauf zu achten, dass die Formen keine Hinterschneidungen aufweisen. Nur so kann gewährleistet werden, dass sich die fertig gestellten Bauteile auch entformen lassen. Ecken und Kanten mit ausreichenden Radien versehen: Ungünstige Günstige Bauteilgestaltung Bauteilgestaltung Harzansammlung in Spannungsrisse der Kante werden vermieden, und der Verdickung besserer Kraftfluss des Behälter- im Verstärkungs- bodens führen zu material. Höhere Schwingungsrissen Formsteifigkeit bei geringerem Gewicht. Gestaltung von Ecken und Kanten: Ungünstig: zu kleine Radien Besser: ausreichende Radien Entformungsschrägen: Falsch: Richtig: Seitenflächen haben Seitenflächen haben keine oder ausreichende Neigung ungenügende Neigung Ecken ausrunden und verstärken: Das Verstärkungsgewebe, meist aus Glas, hat eine gewisse Rückstellkraft und läßt sich daher nicht in scharfe Ecken legen. Es hat die Tendenz, sich immer wieder abzulösen, was zu einer Blasenbildung führt. Es ist also notwendig, scharfe Innenkanten vor dem Laminieren auszurunden. Für die Herstellung einer Hohlkehle eignet sich ein dicker Brei aus Epoxydharz und Glasfaserschnitzel + Baumwollflocken. Wenn gleichzeitig eine höhere Belastbarkeit erwünscht ist, können auch Glas-, Aramid- oder Kohle- rovings eingelegt werden. Oberflächenversiegelung Bei porösen Modell – und Formoberflächen muss vorab eine Oberflächenversiegelung vorgenommen werden. Ohne Versiegelung besteht die Gefahr, dass das Trennmittel in die Poren eindringt und somit keine Trennwirkung an der Oberfläche erzielt werden kann. Zudem ist eine Versiegelung ein Schutz gegen Feuchtigkeit. Für die Versiegelung können je nach Formaterial unterschiedliche Systeme zur Anwendung kommen: schnelltrocknender Acryllack, Tiefgrund, Schellack, Epoxyd-Laminierharz etc. Um die Oberflächenqualität der späteren Abformung noch zu verbessern, können weitere Oberflächenbehandlungen, wie Grundieren und Lackieren, angewendet werden. Trennmittelauftrag Vor der Abformung ist der Einsatz von Trennmittel von Nöten. Wachshaltigen Flüssigtrennmittel sowie die pastösen Trennwachse (SCS Trennmittelpaste weich) sind hierfür sehr gut geeignet. Bei den Flüssigtrennmitteln ist zu beachten, dass diese vor der Anwendung gut aufgerührt werden. Andernfalls setzt sich das in Lösungsmittel gelöste Wachs am Boden ab und es wird nur reines Lösemittel aufgebracht. Bei neuen Einrichtungen sollte der Trennmittelauftrag 3 – 4 Mal erfolgen. Das Trennmittel wird mit einem Pinsel dünn auf die Modelloberfläche aufgetragen und sollte anschließend gut abgelüftet werden. Anschließend kann ein vorsichtiges Polieren, z.B. mit einer Netzstrumpfhose oder einem fusselfreien Baumwolllappen erfolgen. Beim Polieren muss darauf geachtet werden, dass der Wachsfilm nicht vollständig entfernt wird, da eine Trennwirkung sonst nicht mehr gegeben ist. Keinesfalls darf das Trennmittel zum Auftrag in die Form gegossen und durch schwenken oder herausstreichen verteilt werden. Dies führt zu Oberflächenproblemen beim Abguss. Für Spezialanwendungen stehen noch weitere Trennmittel zur Verfügung, z.B. der wasserlösliche Trennfilm PVA (für eine hohe Oberflächengüte). Mischungsverhältnis Das Mischungsverhältnis von Harz und Härter ist unbedingt einzuhalten. Die Angaben des Mischungs- verhältnisses beziehen sich auf Gewichtsteile (sofern in den Datenblättern nicht anders vermerkt) und nicht auf das Volumen. Eine 1:1 Umrechnung ist wegen der abweichenden Dichte nicht möglich (nur bei einer Dichte von 1 möglich). Wird von den angegebenen Mischungsverhältnis abgewichen, können die mechanischen Eigenschaften nicht mehr erreicht und die Vernetzung bzw. Aushärtung empfindlich gestört oder verhindert werden. Die genauen Angaben zum Mischungsverhältnis finden Sie auf dem entsprechenden technischen Datenblatt. Einmischen von Füllstoffen Mischen Sie die Komponenten nur in sauberen und trockenen Gefäßen an. Das Einmischen von Füllstoffen in ungefüllte Systeme sollte folgendermaßen durchgeführt werden: zuerst den Füllstoff in die Harzkomponente einrühren, oder je zur Hälfte in die A-Komponente und B- Komponente geben, und dann entlüften lassen. Rührtechnik Gefüllte Systeme müssen vor der Zugabe des Härters so aufgerührt werden, dass sich der am Boden abgesetzte Füllstoff mit dem Harz homogen vermischt. Für das Aufrühren empfehlen wir die Verwendung eines Rührstabs oder Sternrührers. Hierbei ist die Gefahr, dass Luft mit eingerührt wird geringer als bei einem Spiralrührer. Der Spiralrührer ist empfehlenswert für das Anmischen von Pasten. Die Rührer müssen komplett in das Material eingetaucht werden. Die Drehzahl sollte möglichst gering sein, um möglichst wenig Luft einzurühren und um den Mischbehälter nicht zu beschädigen. Ein Verteilen des Füllstoffes durch Aufschütteln des Kunststoffes im Behältnis ist nicht zu empfehlen, da dies massive Lufteinschlüsse zur Folge hat. Evakuieren Beim Evakuieren wird die eingeschlossene Luft, welche beim Mischen der Harzkomponenten in die Harzmischung gelangt, mittels Vakuum entzogen. Während diesem Vorgang kann sich die Mischung, abhän- gig vom jeweiligen Material, um das bis zu 5-fache ihres Volumens ausdehnen. Eine effektive Entlüftung der Gießmasse kann nur erreicht werden, wenn die Vakuumpumpe in der Lage ist ein Hochvakuum von 10 mbar zu erzeugen. Ein nicht ausreichendes Vakuum kann die eingeschlossene Luft, vor allem bei hochviskosen Materialien (z.B. Silikon), möglicherweise nicht vollständig entziehen. Von einem zu langem Evakuieren ist abzuraten, da ansonsten flüchtige Bestandteile mit aus dem Material herausgelöst werden können. Optimal ist die Zeitdauer, wenn sich das Material vollständig ausgedehnt hat und wieder in sich zusammengefallen ist. Giessen Um ein sauberes und blasenfreies Bauteil zu erhalten, empfehlen wir, steigend zu gießen, d.h. der Angiesspunkt sollte an der tiefsten, möglichst ebenen Stelle liegen, damit die Luft nach oben hin entweichen kann. Der Giessstrahl muss möglichst dünn und gleichmässig sein. Bei geschlossenem Guss, besonders beim Frontschichtguss, müssen, zur optimalen Entlüftung, genügend Entlüftungssteiger gesetzt werden Arbeitsanweisung für die Herstellung eines Laminates Allgemeines Für große und komplexe Bauteile, z.B. Funktionsteile, Sichtteile, Designteile oder Prototypenteile, ist das Laminieren eine sehr gängige Methode. Hierbei ist zu berücksichtigen, welche Einsatzbedingungen auf das spätere Bauteil / Werkzeug einwirken (z.B. Temperaturen, Vibrationen, Chemikalien usw.). Vorbereitung / Formenbau Das Negativ / Positiv muss in seiner Oberflächengüte so gestaltet sein, dass es Ihren Endansprüchen genügt. Ferner darf die Form keine Hinterschneidungen aufweisen. Die Oberfläche muss geschlossenporig sein, damit ein späteres Entformen möglich ist. Negativ-Formen: Stets dann, wenn die Fertigteile glatte Außenflächen aufweisen, wird eine Negativ-Form erstellt (Boote, Karosserieteile, Flugzeug- rümpfe- und flächen etc.). Es handelt sich praktisch um einen "Abdruck" des Originalteiles. Positiv-Formen: Gegenstände mit glatten Innenflächen (Behälter, Springbrunnen, Schalen) benötigen eine Positiv- Form d.h. einen Formkern. Als Formenmaterial eignet sich alles, was trocken und staubfrei ist: Gips Ein Gipswerkzeug ist nur für wenige Abformungen geeignet. Die Oberflächen haben nicht die hohe Güte von GFK. Holz Eine Holzform ist ebenfalls nur für kleinere Serien geeignet. Um die üblichen Trennmittel verwenden zu können, sollte die Oberfläche lackiert werden. Kastenförmige Bauteile (z.B. Behälter) können in einer ein- fachen Form aus kunststoffbeschichteten Spanplatten hergestellt werden. Hartschalengips Für Serien eignet sich die R&G Laminierkeramik (ein Hartschalengips), die in Verbindung mit einer harten Oberflächenschicht aus Epoxyd-Formenharz eingesetzt wird. Die Entformungsstückzahlen sind ähnlich hoch wie bei GFK-Formen. Hauptnachteil dieser Bauweise ist das relativ hohe Gewicht (ca. 20 - 30 kg/m2), Hauptvorteil die einfache Anwendung, die völlige Ungiftigkeit des Produktes und der vergleichsweise günstige Preis. Metall Metallwerkzeuge sind am haltbarsten und werden vor allem für Großserien eingesetzt. Sie sind im vergleich zu den gebräuchlichen GFK-Formen außerordentlich teuer. Dauerelastische Formen Für Formen mit starken Hinterschneidungen oder reliefartigen Oberflächen werden hochflexible Siliconkautschuk-Abformmassen verwendet. Die Dehnfähigkeit beträgt zwischen 350 und 500 %. Siliconkautschuk ist selbsttrennend und für Entformungen mit Polyesterharz, Gips, Wachs etc. geeignet. Bei Verwendung von Epoxyd-Giess/Laminierharzen sollte zuvor R&G Grundierwachs aufgetragen werden. GFK Eine Form aus Glasfaserkunststoff (GFK) erlaubt die Herstellung von wenigstens einigen hundert Teilen in jeder Größe. Die Deckschicht bestimmt die Güte der Oberfläche. Formenharze P ist hartelastisch, kantenfest und gut schleif- und polierbar. Alu-Formenharz ist für Temperformen geeignet und bietet eine schnelle Wärmeverteilung und hohe Kantenfestigkeit. Stahl-Formenharz ist extrem hart und kantenfest, kann aber praktisch nicht mehr, z.B. durch Schleifen, nachbearbeitet wer- den. Glasfaser-Polyesterharz (GF-UP) Preiswerte Formen werden aus GF-UP gefertigt (Deckschicht aus UP-Vorgelat farblos, schwarz eingefärbt und einem Glaslaminat mit Polyester-Laminierharz Polyesterformen schwinden stärker als solche aus Epoxydharz. Sie sind daher vor allem für einfachere Formteile wie z.B. Behälter und Bootsschalen geeignet, bei denen nicht die höchste Masshaltigkeit gefordert ist. Glasfaser-Epoxydharz (GF-EP) Hochwertige, sehr maßhaltige Formen, z.B. für Flugzeug-, Modell- und Maschinenteile werden aus GF-EP angefertigt. Sie sind sehr genau und langlebig. Die Formoberflächen sind polierfähig und je nach verwendetem Formenharz unterschiedlich hart. Bei der Härtung der EP-Harze tritt ein geringfügiger Volumenschwund auf. Dieser Schwund ist in den unverstärkten Harzschichten (Formenharz) am stärksten, im Glasgewebelaminat am geringsten. Soll ein Verzug sicher vermieden werden, muß das Laminat für die Form symmetrisch aufgebaut werden. Hartschaumplatten Mit der entsprechender Oberflächenbehandlung können selbst Hartschaumplatten verwendet werden. Es ist besonders auf die Lösungsmittelverträglichkeit (Trennwachs) zu achten. Trennmittel Die Oberfläche wird mit einem Trennmittel mehrfach eingetrennt. Zwischen den Eintrennschritten muss das Trennmittel ablüften können. Wird beim Trennmittel nachpoliert, um die Oberflächengüte zu erhöhen, muss darauf geachtet werden, dass das Trennmittel durch das Polieren nicht wieder entfernt wird. Oberflächenharz Für einfache Musterteile empfiehlt sich ein Standardoberflächenharz (Gelcoat). Das Oberflächenharz wird auf die eingetrennte Oberfläche aufgetragen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Kanten und Durchbrüche erst dünn vorgestrichen werden. So können Lufteinschlüsse vermieden werden. Nachdem die Oberfläche fingertrocken angezogen hat (d.h. keine Anhaftungen am Finger bzw. es werden keine Fäden mehr gezogen), wird die zweite Schicht Oberflächenharz aufgetragen. Zwei Lagen Oberflächen- harz sind empfehlenswert, damit Sie eine höhere Schichtstärke erreichen. Dies ist bei Folgearbeiten, wie Schleifen oder Polieren, sehr bedeutsam. Kupplungsschicht Nachdem die zweite Oberflächenschicht aufgetragen und leicht geliert ist, wird eine Kupplungsschicht empfohlen. Diese hat die Aufgabe, den Kontakt zwischen der Oberfläche und dem Hinterbau zu erhöhen. Ferner dient die Kupplungsschicht als Zeitpuffer. Dies ist besonders wichtig bei größeren Bauteilen bzw. Werkzeugen. Als Alternative kann in das frisch eingestrichene Formenharz Kurzglasfaserschnitzel eingestreut werden. Überschüssige Glasfaserschnitzel werden, nachdem die Deckschicht ca. 2 Stunden angeliert ist, vorsichtig wieder abgesaugt). Für die Kupplungsschicht werden Kurzglasfasern und Baumwollflocken zu gleichen Teilen in das Harz gemischt. Die Kupplungsschicht vermeidet Lufteinschlüsse zwischen Deckschicht und Laminat und wird insbesondere in Ecken und Kanten sowie im Bereich der Passdübel etwas dicker aufgetragen Laminat Nachdem die Kupplungspaste aufgetragen wurde, folgt das eigentliche Laminat. Bei der Erstellung des Laminates ist darauf zu achten, dass mit möglichst wenig Harz gearbeitet wird. Die Auswahl der Gewebearten sowie der Laminierharze richtet sich nach dem Einsatzzweck. Es ist zu berücksichtigen, dass bei größeren Laminatwandstärken (> 4 mm oder mehr als 4 Lagen) eine Pause erfolgen muss. Weitere Lagen müssen am Folgetag gelegt werden. Dies ist notwendig, damit das Laminat aufgrund der Reaktionswärme nicht zu heiß wird. Wird die Reaktionswärme zu hoch, entstehen Spannungen am Bauteil und das Laminieren wird auf Grund der kürzeren Topfzeit erschwert. Unter Laminieren verstehen wir das schichtweise Einbringen von Verstärkungsgewebe von Hand (Handlaminieren). Dabei wird zuerst das Gewebe auf die richtige Größe zugeschnitten. Oft lohnt sich die Herstellung einer Kartonschablone. Die mit einer Deckschicht versehene Form wird mit Harz eingestrichen und Gewebe aufgelegt. Nun wird laminiert, also das Gewebe mit dem darunterliegenden Harzanstrich getränkt. Das Harz wird vorzugsweise von unten nach oben durch das Gewebe gearbeitet. Dies ergibt eine optimale Tränkung ohne Lufteinschlüsse. Die sorgfältige Benetzung läßt sich bei Glasgeweben optisch leicht kontrollieren: nicht getränkte Stellen erscheinen weiß, richtig getränkte Stellen transparent. Gegebenenfalls muß mittels Pinsel weiteres Harz aufgetragen werden. Das Entlüften der Gewebe erfolgt durch Stupfen und Streichen mit einem Borstenpinsel oder bei größeren Bauteilen durch Abrollen mittels Velour-Walze und Teflonroller. Danach folgt eine zweite Gewebelage, welche meist noch mit dem darunterliegenden Harz getränkt werden kann. Ein erneuter Harzauftrag ist nur dort nötig, wo das Gewebe trotz Stupfens weiß, also trocken bleibt. Alle glänzenden Stellen deuten auf zu viel Harz hin. Dieses muß mit dem Pinsel an die Stellen gebracht werden, wo möglicherweise zu wenig vorhanden ist oder durch Auflegen von saugfähigem Papier entfernt werden. Ein gutes Laminat zeigt an der Rückseite die rauhe Gewebestruktur. Ein optimales Volumenverhältnis Harz : Verstärkungsgewebe wäre etwa 40 : 60, was jedoch beim Handlaminieren kaum erreicht wird. Mit einem Anteil 50 : 50 kann man bereits zufrieden sein. Einfärbungen Wenn farbige Deckschichten eingebracht werden, lohnt es sich, auch das Laminierharz abzutönen, damit die Deckkraft der Farbe erhöht wird. Die Verarbeitung farbigen Harzes erschwert allerdings das Feststellen von Luftblasen beim Laminiervorgang. Gewebe Beachten Sie, dass Sie zuerst ein eher dünneres Gewebe verwenden, welches sich gut um Ecken und Kanten laminieren lässt. Die nachfolgenden Lagen können dicker sein. Bitte bedenken Sie, dass mehrere dünne Gewebe evtl. leichter einzubringen sind, als ein dickes Gewebe. Dazu kommt noch die Möglichkeit, dass bei mehreren Lagen die Festigkeit ggf. dadurch optimiert werden kann, dass die Lagen im Faserwinkel von 0°/90° und ± 45° orientiert werden. Bei dünnen, flachen Geweben liegen die Fasern gestreckter im Laminat, als bei schweren Sorten. Mehrere Lagen dünnes Gewebe ergeben daher eine höhere Festigkeit, als wenige Lagen einer dicken Type. Glasmatten (Vliese) eignen sich nur für Polyesterharze und ergeben sehr harzreiche Laminate mit vergleichsweise geringer Festigkeit. Ihr Einsatz ist daher hauptsächlich auf Anwendungen beschränkt, bei denen der Preis mit massgebend ist und auf möglichst günstige Art ein dickes Laminat hergestellt werden soll (Kfz-Bauteile, Boote und Behälter etc.). Temperung Die Aushärtungsreaktion von Polyurethanen und Epoxiden wird als Polyaddition bezeichnet. D.h. für eine bestimmte Anzahl von Harzmolekül der Faseranteilen gibt es eine bestimmte Menge Härtermoleküle. Dem entsprechend ist das Mischungsverhältnis der Harze genauestens einzuhalten, da sonst unvernetzte Mengen einer Komponente übrig bleiben. Eine komplette Vernetzung bei Raumtemperatur kann bei den meisten Harzsystemen nicht erreicht werden. Es gibt sogar einige Systeme, die bei Raumtemperatur nur sehr schlecht oder überhaupt nicht aushärten. Für die Steigerung der Vernetzung auf nahezu 100 %, muss deshalb bei den Bauteilen bzw. Formen eine Wärmebehandlung vorgenommen werden. Diese so genannte Temperung ist notwendig, um die optimalen Endeigenschaften und angegebenen Temperaturbeständigkeiten zu erreichen. Die Tempervorschriften für die einzelnen Kunststoffe können den technischen Datenblättern entnommen werden. Neben der genausten Einhaltung der Tempervorgaben ist zu beachten, dass die Bauteile verzugsfrei gelagert und langsam erwärmt werden. Die Abkühlgeschwindigkeit sollte 10 °C pro Stunde nicht überschreiten.  PROBLEM-LÖSUNGS-ÜBERSICHT umweltfreundli- Problem Auswirkung Lösung. Es entstehen Ungenügende Weiche, schlierenartige Stellen Falsches Mischungsverhältnis n Dämpfe oder Aushärtung Feuchtigkeitseinfluss ung. Ungenügendes Vermischen der Harzkomponenten Verarbeiten von ungemischten Harzresten vom Boden und der Seitenwand des Mischgefäßes oberflächen ist Oberflächenfehler Unsaubere Oberfläche Das Negativ war nicht sauber und glatt verschliffen au bei höheren Das Negativ wurde mit einem zu scharfen Lösungsmittel gereinigt Die Synthese- Das Negativ wurde zu dick und strähnig eingewachst er Dispersions- Ablösen der Oberflächenschicht Verwendung eines ungeeigneten Harzes Einfallstellen Beim Auftragen der Verbindungsschicht war die Oberflächenschicht bereits ausgehärtet thermie lassen Zu dick gegossen oder zu wenig und zu dünne Steiger ünschten Dicke Luftblasen Viele kleine Blasen an der Luftblasen im Harz-Härter-Gemisch n. Die Systeme Abgussoberseite n einen gerin- Blasen im Abguss Falsche Lage beim Gießen gskoeffizienten. Zu viel Beschleuniger Der Gießvorgang wurde unterbrochen uren bleibt die Falscher Rührer beim Mischen n auch Naturfa- Große offene Blasen beim Mischen Keine oder zu wenige Steiger eingelegt wer- Die Luft konnte nicht aus der Form entweichen Rissbildung Risse im Abguss oder Laminat Anwendung zweier Werkstoffe mit unterschiedlichem Dehnungsverhalten ndungsbeispiele Ungenügende Verbindungsschicht Keine ausreichende Verstärkung des Aufbaues rfügung. Übermäßige Wärmeentwicklung während des Aushärtevorgangs Loslösen von Die Laminatschichten lösen sich Zu trocken laminiert Laminaten voneinander Einzelne Schichten waren bereits ausgehärtet Maßliche Verzug des Abgusses Ungleichmäßiger Aufbau Veränderungen Zu unterschiedliche Wandstärken Zu dünner Unterbau Zu dicker Vollguss Schwund des Abgusses Falsches Mischungsverhältnis Überschreitung der zulässigen Gieß- oder Laminierdicke Verwendung eines ungeeigneten Harzes Übermäßige Wärme beim Aushärten Schlechte Schwierigkeiten beim Vormodell nicht versiegelt Entformung Entformen Vormodell ohne Aushebeschräge Vormodell mit Hinterschneidungen Vormodell unvollständig mit Trennmittel behandelt Trennmittel am Vormodell oder Negativ zu früh nachpoliert Vormodell nicht sauber auf Grundplatte montiert Harz unter das Modell gelaufen Ausbrechen der Einguss- und Stei- Falsches Setzen der Steiger gerstellung am Modell Zu dicke Steiger Falsches Trennen des Modells vom Eingusssystem Zu geringe Zu rascher Verschleiß Ungenügende Aushärtung Standzeit Falsches Mischungsverhältnis Falsches Harz eingesetzt Verarbeitungshinweise / ebalta Kunststoff GmbH | 15 Quellen: ebalta-umgang-mit-harzen Formenbau mit GFK, Suter Kunststoff AG