Leichtbau & Faserverbund - Technologie der Zukunft

Leicht, leichter, am leichtesten. Wenn jedes eingesparte Gramm zählt und grosse Widerstandsfähigkeit nötig ist, dann ist Faserverbund der Werkstoff der Wahl. Prominentes Beispiel: Ernesto Bertarellis Segelyacht Alinghi.
Mit Leichtbausystemen können die Betriebskosten gesenkt und die Nutzlast erhöht werden. Bei Faserverbund-Werkstoffen, auch Composites genannt, sind die Rohstoffe und das Ausgangsmaterial naturgemäss hochwertiger und somit kostenaufwändiger im Vergleich zu anderen Werkstoffen. Durch effektivere und kostengünstigere Verarbeitungsprozesse und tiefere Betriebskosten sind die neuen Werkstoffe aber dennoch konkurrenzfähig.

Der Siegeszug der Faserverbund-Werkstoffe

Metalle waren jahrhundertelang der Standard-Werkstoff, wenn es um die Herstellung leichter und stabiler Strukturen ging. Auch heute sind sie aus der Industrie nicht wegzudenken, haben aber eine starke Konkurrenz bekommen: Faserverbundwerkstoffe. Diese bestehen aus zwei oder mehreren Materialkomponenten, deren Materialeigenschaften durch die Kombination der verbundenen Werkstoffe verbessert werden. Das ist in der Natur ein ebenso selbstverständliches Prinzip wie im Leichtbau. Diese von der Natur kopierte Bauweise hat viele technische Bereiche revolutioniert. Erstmals stehen heute hochfeste und dabei leichte Werkstoffe mit überragenden Eigenschaften zur Verfügung. Besonders bei Hightech-Produkten wird durch niedrige Strukturgewichte viel Energie gespart, was die Betriebskosten senkt. Zusätzlich werden die Leistung und Nutzlast gesteigert.

Das Geheimnis der Composites

Faserverbundwerkstoffe sind im Prinzip vergleichbar mit Stahlbeton, bei dem der spröde, formgebende Werkstoff Beton durch Stahleinlagen verstärkt wird. Anstelle von Stahl werden Fasern aus Carbon, Aramid, Glas oder Naturfasern in eine flüssige Reaktionsharzmasse zum Beispiel Epoxidharze oder Polyesterharze eingebettet und beim Aushärten des Harzes in dem so entstehenden festen Formstoff verankert. Auch kompliziert gestaltete und sehr große Teile können in einem Arbeitsgang mit verhältnismäßig geringem Aufwand hergestellt werden.

Die Wirkung der Fasern

Die Fasern verleihen dem Verbund Festigkeit und Steifigkeit. Mit einem Durchmesser von einigen µm sind sie extrem dünn. Die besten Festigkeitseigenschaften weisen Werkstücke in ihrer Faserrichtung auf. Das bedeutet, ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff sollte möglichst in Faserrichtung belastet werden, damit man die Vorteile des Werkstoffs optimal nutzen kann. 

Gewicht, Chemikalienbeständigkeit, Isolation…

Je nach Einsatzgebiet werden unterschiedliche Vorteile der jeweiligen Verbundstoffe genutzt und verstärkt. Das Gewicht ist zentral, aber nur ein Faktor. Auch Eigenschaften wie Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit, elektrische und thermische Isolation, Festigkeit, Steifigkeit, Zuglast, Biegelast, Transparenz und viele mehr können durch gekonnte Verbindungen optimiert werden. Da der Faserverbundwerkstoff erst beim Zusammenfügen von Harz und Fasern entsteht, wird er durch den Verarbeiter selbst hergestellt. Für die Eigenschaften des Endprodukts sind die sorgfältige Verarbeitung und der Prozess des Aushärtens entscheidend, ebenso wie die Bauteilauslegung, die Faserorientierung, der Faseranteil, die Lagenzahl und das Gewebe.
Die Wahl des Verarbeitungsverfahrens richtet sich nach der Stückzahl und der Größe der herzustellenden Teile sowie nach den Anforderungen in Bezug auf mechanische Festigkeit, Fasersichtbarkeit, Beschaffenheit der Oberfläche, Maßhaltigkeit usw. Die Eigenschaften der Composites werden massgeblich bestimmt durch die Eigenschaften der Fasern sowie des verwendeten Harzes. Wichtig sind aber auch der Faservolumenanteil (Verhältnis von Harz und Fasern) sowie die Geometrie und Anordnung der Fasern im Werkstoff.

Faserverbundstoffe sind bezahlbar geworden

Mit sinkendem Preis und zunehmendem, allgemein zugänglichem Know-How für die Verarbeitung hat sich die Faserverbundtechnologie auf breiter Ebene durchgesetzt. Kaum noch wegzudenken sind sie seit langem im Flugzeug- oder im Sportwagenbau. Anwendungen in anderen Gebieten, insbesondere auch im Maschinenbau, sind deutlich im Vormarsch.

Anwendungsgebiete und Vorteile

Luftfahrt: Komplette Rümpfe, Holmkonstruktionen und Tragflächen sowie Leitwerke
Geringes Gewicht, ausgezeichnete statische und dynamische Festigkeit, integrierte Bauweise, Einsparung bei der Montage aufgrund weniger Bauteile.

Sport und Freizeit: Modellbau, Boots- und Surfbrettbau, Skier,
Geringes Gewicht, kostengünstige Fertigung.

Fahrzeugbau/Verkehrstechnik: Großflächige Karosserieteile, Tanks, Kardanwellen, Blatt- und Spiralfedern, Drehstäbe, Stoßfänger, Chassisrahmen, Kraftstoffeinsparung durch besonders niedriges Gewicht, gute Dämpfungseigenschaften, korrosionsbeständig.

Maschinen- und Anlagenbau: Schnell bewegte Teile in Verpackungs-, Druck-, Strick- und Webmaschinen, Behälter, Rohrleitungssysteme, Pumpenelemente und -gehäuse.
Geringe Massenträgheit, hohe Schwingfestigkeit, Wartungsarmut, sehr gute chemische Beständigkeit, einfache und anforderungsgerechte Gestaltung.

Medizinaltechnik: Arm- und Beinprothesen, Rollstühle, Orthesen, Implantate, medizinische Geräte (z.B. Liegen für Röntgenapparate).
Geringes Gewicht, hohe Steifigkeit, gute Körperverträglichkeit.

Von den Besten lernen

Die hftm hat in Zusammenarbeit mit Unternehmen aus dem Leichtbau-Bereich eine Weiterbildung konzipiert, die Sie befähigt, sich im Arbeitsalltag den Themen „Leichtbausysteme und Composites“ zuzuwenden. Des Weiteren können Sie ihr Wissen nach dem Kurs mit einem anerkannten CAS-Studium weitervertiefen.   

Fachspezialisten wie das Kunststoffzentrum Aarau, die ETH Zürich und weitere Bildungspartner garantieren eine qualitativ hochstehende, praxisnahe Ausbildung: In sechs Kursblöcken und drei Praxistagen tauchen Sie in alle Aspekte der Materie „Leichtbau und Faserverbund“ ein und beschäftigen sich mit folgenden Inhalten: Grundlagenwissen, Berechnung, Anwendung, Testverfahren, konzipieren und produzieren eigener Bauteile, industrielle Nutzung, Kalkulation, Logistik, Produktion, maschinelle Herstellungsverfahren.

Erfahren Sie mehr zu dem Praxistag "Faserverbund".