Unsere Faserverbundwerkstoffe setzen sich aus Kohlenstofffasern und einer Matrix, bestehend aus speziellen Harzsystemen oder thermoplastischen Kunststoffen, zusammen. Beide Komponenten gemeinsam verleihen dem Werkstoff seine spezifischen und ungewöhnlichen Eigenschaften. Dabei übernehmen Matrix und Faser jeweils unterschiedliche Aufgaben. Die hohe Festigkeit, das geringe Gewicht und die gute Korrosionsbeständigkeit von Carbon Composites ergeben sich nur im Verbund.
Die Kohlenstofffaser
Kohlenstofffasern bilden die Basis des Materialverbundes und haben wirklich faszinierende Eigenschaften: Sie weisen eine Steifigkeit und Zugfestigkeit auf, die die Werte von Stahl um ein Mehrfaches übersteigen können, und das bei einem Bruchteil des spezifischen Gewichts. Sie sind elektrisch leitfähig, haben eine mittlere bis sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und eine negative Wärmedehnung. Es gibt sehr unterschiedliche Typen von Kohlenstofffasern, die wir entsprechend ihren Eigenschaften und ihrem Preis gezielt einsetzen. Daneben verwenden wir ergänzend auch Glasund Aramidfasern bzw. hybride Mischungen aller genannten Fasern für das Erreichen bestimmter Eigenschaftsprofile.
Da ein Bündel aus Kohlenstofffasern, ähnlich wie ein Seil, biegeschlaff und somit nicht formstabil ist, übernimmt die Matrix die Aufgabe, die Fasern einzubetten, zu stützen, in Form zu bringen und für eine Kraftübertragung zwischen den Fasern und den unterschiedlichen Faserschichten zu sorgen. Wir greifen bei der Wahl des Matrixmaterials standardmäßig auf eine Reihe von Epoxidharzen verschiedener Eigenschaftsspektren zurück. Daneben leistet unsere Unternehmensgruppe Pionierarbeit bei der Entwicklung von industriellen Prozessen zur Verarbeitung thermoplastischer Matrixwerkstoffe im CCM-Verfahren.
Stark im Verbund
Da Kohlenstofffasern ihre überragenden Eigenschaften nur in Faserlängsrichtung aufweisen, also anisotrop sind, werden sie im Verbundmaterial belastungsgerecht angeordnet und übernehmen die Aufgabe der Kraftübertragung. Bei Druckbelastung werden sie dann durch das Matrixmaterial gestützt. So werden in Faserrichtung deutlich höhere Steifigkeiten als z. B. bei Stahl erreicht, wohingegen quer zur Faserrichtung nur niedrige Steifigkeiten erzielt werden, da die Matrix ihrerseits nur eine geringe Festigkeit aufweist. Schubverformung und Querschnittsverformung eines Bauteils haben daher einen größeren Anteil an der Gesamtverformung als bei klassischen Werkstoffen. Durch das Bilden eines Schichtaufbaus mit Fasern in unterschiedlichen Richtungen, eines sogenannten Laminats, kann allerdings, z. B. im Faserwickelverfahren, das Verhältnis der Elastizitätsmoduln und der Schubmoduln optimal eingestellt werden. So können wir durch gezielte Anordnung der Fasern maßgeschneiderte Bauteile mit spezifischen Funktionen erstellen. Dazu gehören z. B. ein einstellbares Wärmedehnungs- oder Dämpfungsverhalten, eine hohe Festigkeit oder Flexibilität. Eine oft unterschätzte Herausforderung bei der Konstruktion mit anisotropen Werkstoffen ist die Krafteinleitung in das Faserverbundmaschinenelement bzw. auch das Fügen mehrerer Komponenten zu Strukturen. Die Schwierigkeit besteht hier – insbesondere bei hohen Kraftflüssen – in einer dauerhaften Anbindung an die kraftführenden Fasern im Verbund. Wir verstehen uns auf das Design und die fertigungstechnische Umsetzung unterschiedlicher Verfahren, wie beispielsweise Kleben, Schrauben, Nieten oder die Herstellung von Pressverbänden.
Carbon Composites – Analog zur Natur
Bei der Konstruktion mit Carbon Composites machen wir uns die Leichtbauprinzipien der Natur zunutze: minimaler Materialeinsatz, „Form follows function“, Formfindung durch konstante Spannung und die gerichtete Verstärkung eines Bauteils mit Fasern. Am Beispiel des Bambus, der in der Konstruktionsbionik als Vorbild für vielfältige Leichtbaukonstruktionen aus Faserverbundwerkstoffen steht, lässt sich die Gestaltung nach dem Vorbild der Natur am besten verdeutlichen. Bambusrohre sind Verbundstrukturen, bei denen Leitbündel und Fasern in das Gewebe eingebettet sind. Die an den Grenzflächen zum Gewebe entstehenden Scherspannungen tragen zur Dämpfung schwingender Bambusrohre bei und die Fasern sind durch Einbettung in das Gewebe gegen Ausbeulen durch Druck- und Biegebelastung geschützt. Bambus ist zudem dank seiner Hohlräume extrem leicht und elastisch, wobei innenliegende Stützscheiben für die Festigkeit quer zur Wuchsrichtung sorgen.
Hohe Lebensdauer – Bauteile aus Faserverbundkunststoffen
Richtig dimensionierte Bauteile aus Faserverbundkunststoffen haben eine erstaunlich hohe Lebensdauer, auch unter schwingender Beanspruchung. Bis ein Ermüdungsbruch eintritt, ertragen sie typischerweise deutlich höhere Lastwechselzahlen als vergleichbare Bauteile aus metallischen Werkstoffen. Dies begründet sich vor allem in der generell hohen Festigkeit eines in dünnen Fasern vorliegenden Werkstoffes (Faserparadoxon) und in der hohen Zahl an inneren Oberflächen in einem Faserverbundwerkstoff, an denen entstehende Mikrorisse immer wieder gestoppt werden und nur unter Zufuhr höherer Energie zum Umlenken und Weiterwachsen gezwungen werden können. In Ermüdungsversuchen an CFK-Bauteilen beobachtet man häufig, dass metallische Krafteinleitungselemente durch Ermüdung versagen, bevor die CFKTragstruktur messbar oder gar sichtbar geschädigt ist.
Gutmütiges Versagensverhalten
Eine weitere Stärke von faserverstärkten Kunststoffen sind das tendenziell gutmütige Schadensverhalten und die Möglichkeit, in den Werkstoff gezielt ein bestimmtes Bruchverhalten hineinzukonstruieren. Dies wird insbesondere bei Crashelementen und energieabsorbierenden Strukturen, wie z. B. in der Formel 1 oder in der Konstruktion von Schutzwesten, genutzt. Auch Impact-Schäden sind heute durch entsprechend ausgelegte Laminate und Schutzschichten beherrschbar. Bei Schädigung eines Laminats hilft die faserige Struktur, indem benachbarte ungeschädigte Fasern weiter die Last übernehmen und Risse nicht ungehindert in beliebige Richtungen weiterwachsen können.
