Untersuchungen zur Entwicklung eines Faserspritzverfahrens zur Herstellung metallisch verstärkter Duroplaste

Danksagung

Ganz herzlich möchte ich mich bei Hr. Prof. Dr.-Ing. Lars Frormann, Professor für Kunststoffverarbeitung am Institut für Produktionstechnik der Westsächsischen Hochschule Zwickau für die Betreuung meiner Dissertation bedanken. Er war stets zu Diskussionen bereit und gab mir eine Vielzahl von wertvollen Ratschlägen sowie konstruktiven Anregungen im Hinblick auf die Ausarbeitung dieses Themas.

Ebenfalls danken möchte ich Fr. Prof. Dr. sc. nat. Monika Bauer, Leiterin des Lehrstuhls Polymermaterialien der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus, für die Betreuung sowie die gute und offene Zusammenarbeit bei der Anfertigung meiner Dissertation.

Weiterhin gilt mein Dank Hr. Prof. Dr.-Ing. Christoph Leyens, Leiter des Lehrstuhls für Metallkunde und Werkstofftechnik der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus, für seine Bereitschaft meine Arbeit als Gutachter zu unterstützen.

Vor allem aber möchte ich mich bei meiner Frau Pierangela und meinem Sohn Maximilian bedanken. Sie haben durch ihre Unterstützung und bewiesene Geduld einen wesentlichen Anteil zum Verfassen dieser Arbeit beigetragen.

Inhaltsverzeichnis

  Inhaltsverzeichnis  

1  Einleitung und Zielsetzung  1

2  Stand der Faserspritztechnik  7

2.1  Faserspritzverfahren  7

2.2  Verfahrenstechnische Grundlagen  10

3  Werkstoffe  16

3.1  Matrixwerkstoffe  17

3.2  Faserwerkstoffe  23

3.2.1  Natürliche Faserwerkstoffe  24

3.2.2  Synthetische Anorganische Faserwerkstoffe  26

3.2.3  Metallische Faserwerkstoffe  28

4  Entwicklung des Faserspritzverfahrens für metallische  

  Verstärkungsfasern  36

4.1  Konstruktionssystematik  36

4.1.1  Klärung der Aufgabenstellung  40

4.1.1.1  Untersuchungen zum Faserspritzen mit metallischen Fasern  42

4.1.1.2  Definition des Zerteilverfahrens  54

4.1.2  Anforderungsliste  58

4.1.3  Funktionsstruktur  61

4.1.4  Morphologischer Kasten  62

4.1.5  Technische Bewertung der Lösungsvarianten  65

4.2  Entwicklung der Schneideinheit  68

4.2.1  Technischer Entwurf  68

4.2.2  Entwicklung und Auslegung der Maschinenelemente  70

4.2.2.1  Berechnung des Antriebmotors  71

4.2.2.2  Berechnung der Antriebswelle  72

4.2.2.3  Berechnung der Kupplung  75

4.2.2.4  Berechnung der Zahnradpaarung  78

4.2.2.5  Berechnung der Spannsätze  80

4.2.2.6  Berechnung der Wälzlager  81

I

Inhaltsverzeichnis

4.3  Entwicklung der Vorschubeinheit  83

4.3.1  Technischer Entwurf  83

4.3.2  Berechnungen und Annahmen zur Antriebsauslegung  85

5  Experimentelle Vorgehensweise zur Verifikation der Verfahrens  

  entwicklung  90

5.1  Ergebnisse des Schneidsystems  90

5.1.1  Generelles Förder- und Schnittverhalten  91

5.1.2  Parameterermittlung für die Faserspritzanlage  95

5.2  Versuchsprogramm  97

5.2.1  Versuchsaufbau und durchführung  97

5.2.2  Definition des Matrix- und Faseranteils  98

5.2.3  Versuchsmatrix  99

6  Versuchsergebnisse  101

6.1  Prozessverhalten  101

6.2  Faserlängenverteilung  102

6.3  Verschleißverhalten und Dauerbetrieb des Schneidsystems  107

6.4  Grundcharakterisierung der Schichteigenschaften  111

6.4.1  Schichtmorphologie  111

6.4.2  Mechanisch-Physikalische Schichteigenschaften  112

6.4.3  Vergleich der Schichteigenschaften mit konventionell  120

  fasergespritzten GFK-Schichten  

7  Zusammenfassung und Ausblick  125

8  Formelzeichen und Abkürzungen  129

9  Abbildungs- und Tabellenverzeichnis  137

10  Literaturverzeichnis  140

11  Anhang  153

II

1 Einleitung und Zielsetzung

Durch ständig steigende Anforderungen an die Arbeitsgenauigkeit und Produktivität von Fertigungsverfahren sowie den sich verschärfenden Wettbewerb werden Fragestellungen zur Verwendung neuer Werkstoffe zunehmend aktuell. Kunststoffe, erst seit wenigen Jahrzehnten entwickelt und hergestellt, haben aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften und vielseitigen Verarbeitungs- und Anwendungsmöglichkeiten rasch eine immer stärker werdende Bedeutung erlangt. Es gibt kaum einen Zweig technischer Anwendungsgebiete, in dem sie heute nicht Eingang gefunden haben. Durch ihre Entwicklung wurden neue Industriezweige geschaffen und zum Teil die Bewältigung technischer Probleme, z. B. in der Hochfrequenz- und Nachrichtentechnik, überhaupt erst ermöglicht [Bar 94].

Eine besondere Stellung kommt in diesem Zusammenhang den faserverstärkten Kunststoffen zu, die besonders in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie im Kraftfahrzeugbau in den letzten Jahren bedeutende Produktinnovationen durch die Substitution metallischer Werkstoffe herbeiführen konnten. Der Vorteil dieser von [Ehr 99] als Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (FKV) definierten Werkstoffe liegt in den hervorragenden spezifischen Eigenschaften, wobei sie vorzugsweise für die Herstellung von leichten, hochfesten und steifen Bauteilen eingesetzt werden. Darüber hinaus werden in steigendem Maße nicht nur passive, sondern auch aktive, d. h. Energie übertragende und dämpfende Bauteile aus FKV gefertigt.

Ausgehend von den bereits erwähnten Anwendungen wurden in den letzten Jahren immer neue Einsatzgebiete für faserverstärkte Kunststoffe erschlossen. Wie in Abb. 1.1 dargestellt, bilden die klassischen Industriezweige heute zwar noch den Schwerpunkt dieser Werkstoffgruppe, jedoch zeigt die Abbildung eindeutig, dass zunehmend neue Marktsegmente erschlossen werden. Dies unterstreicht die enorme Marktentwicklung für FKV, die aufgrund dessen bereits Einzug in zahlreiche Anwendungen des täglichen Lebens gehalten haben [Wei 90, Pin 87, Mic 91, Ber 92].

1 Einleitung und Zielsetzung

3

100 3

4

14

90

80

21 Marktsegmente [%]

70 Fahrzeugbau

60

26 Elektroindustrie

50 Industrie & Landwirtschaft Bauwesen 40 Konsum 29

30 Sport & Freizeit

20 Verschiedenes

10

Abb. 1.1: Marktsegmente von FKV [Nei 97, Fro 02]

FKV bestehen in ihrem Grundaufbau aus einer Materialkombination von Einbettungs- (z. B. Kunststoff-Matrix) und Verstärkungssystem (z. B. Faser). Diese Paarung sowie die Struktur der Anordnung sind im Wesentlichen ausschlaggebend für die Materialeigenschaften des Gesamtsystems. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass sich für nahezu jede Problemstellung durch die gezielte Werkstoffanpassung an die geforderten Eigenschaften „maßgeschneiderte“ Werkstoffe entwickeln lassen [Fro 00].

Im Hinblick auf das als Matrix bezeichnete Einbettungssystem finden zu geringeren Anteilen Thermoplaste Verwendung. Hierzu gehören unter anderem Polypropylen (PP) als Vertreter der Standard-, Polyethylentherephthalat (PET) als Vertreter der technischen und Polyetheretherketon (PEEK) als Vertreter der hochtemperaturbeständigen Thermoplaste [Fro 00-1, Fle 95, Zep 97]. Den deutlich größeren Anteil der Einbettungssysteme machen heutzutage jedoch die stark vernetzten Polymere aus. Zu diesem Kunststofftyp, der auch als Duroplast bezeichnet wird, zählen neben den ungesättigten Polyesterharzen (UP) auch die Vinylester- (VE), die Epoxid- (EP), die Phenol- (PH) und die Polyimidharze (PI).

2

In Bezug auf das Verstärkungssystem werden überwiegend anorganische bzw. synthetische Fasern (z. B. Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern) und natürliche Polymere (z. B. Viskosefasern) verwendet. Dabei wird im Allgemeinen ein Werkstoff als Faser definiert, wenn das Verhältnis Länge zu Durchmesser sehr viel größer als eins ist.

Die eigentliche Herstellung von FKV-Teilen bedient sich verschiedener Fertigungsverfahren, wobei das Faserspritzverfahren als ein einfaches Formgebungsverfahren für die Verarbeitung von faserverstärkten Harzen weit verbreitet ist. Im Vergleich zum Handlaminieren, bei dem die Verarbeitung von Harz und Faser schichtweise (diskontinuierlich) erfolgt, stellt dieses Verfahren eine halbautomatisierte Weiterentwicklung

Werkstoffkomponenten „quasi“-kontinuierlich gemischt und auf ein Formwerkzeug aufgebracht werden. Der Prozess zur Fertigung eines Bauteils erfolgt dabei derart, dass geschnittene Glasfasern mit einer Faserlänge von in der Regel 20 bis 50 mm durch eine niedrigviskose Matrix (häufig preisgünstiges Polyesterharz) in der Flugphase benetzt und auf das Formwerkzeug aufgesprüht werden, um somit in einem Arbeitsgang komplexe, dreidimensionale Bauteile zu erzeugen. Die Dicke der Faserschicht lässt sich durch stärkeren oder geringeren Faserauftrag auf bestimmte Flächen in vordefinierter Weise variieren. Durch das Faserspritzverfahren können somit großflächige Bauteile wirtschaftlich und durch Aufbau beliebiger Wandstärken belastungsgerecht hergestellt werden. Dabei werden Faser und Matrix in einem Verarbeitungsschritt aufgetragen, wodurch der Zuschnitt von Hand sowie die Einlage von Fasermatten, Geweben oder Vliesen im Vergleich zu anderen Verfahren entfällt.

Neuste Untersuchungen zielen darauf ab, neben der weit verbreiteten Verarbeitung von Glasfasern, alternative Verstärkungsfasern mit dem Faserspritzverfahren aufgrund von Kosten-, Umwelt- oder Festigkeitsaspekten zu verarbeiten [Föl 95, Mie 95, Wut 94, Mic 92-2]. Hier gewinnen beispielsweise seit kurzem in der industriellen Praxis Naturfasern wie Flachs-

1 Einleitung und Zielsetzung

und Hanffasern zur Armierung von Kunststoffen mittels des Faserspritzverfahrens zunehmend an Bedeutung.

Vor dem Hintergrund, dass eine Einlagerung von Fasern in eine Kunststoffmatrix im Sinne einer gezielten Werkstoffanpassung jedoch auch erfolgen kann, um besondere Eigenschaften einzustellen, blieben bislang Überlegungen zur Substitution der klassischen Glasfasern durch metallische Werkstoffe weitgehend unberücksichtigt. Vor diesem Hintergrund stellt die Einlagerung metallischer Fasern in ein polymeres Matrixsystem mit Hilfe des Faserspritzens einen bislang nur wenig untersuchten Bereich dar. Die Vorteile derartig erzeugter Schichtsysteme sind jedoch nahe liegend, da metallische Fasern aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften wie z. B. Festigkeit, Bruchverhalten, Duktilität, usw. aber auch aufgrund der physikalischen Eigenschaften wie z. B. Leitfähigkeit, Strahlungsabsorption, Magnetisierbarkeit, etc. im Vergleich zu Glasfasern deutliche Vorteile bieten.

Darüber hinaus erlaubt das Faserspritzen eine einfache Verarbeitung der beiden Komponenten und ist gleichzeitig aufgrund der Halbautomatisierung geeignet, komplexe Geometrien in der Klein- und Mittelserienfertigung darzustellen. Vor diesem Hintergrund ist die Kombination, d. h. ein fasergespritztes Schichtsystem auf Basis einer duroplastischen Kunststoffmatrix mit eingelagerten Metallfasern unter Nutzung der jeweiligen Vorteile, im Hinblick auf neue technische Anwendungen und Einsatzbereiche eine viel versprechende Werkstoff- und Verfahrensinnovation, welche im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit detailliert untersucht wird.

Gliederung der Arbeit

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Grundlagen für den Aufbau von Werkstoffsystemen aus Polymermatrix und Metallfaser zu schaffen. Hierzu ist zunächst innerhalb des Faserspritz-Prozesses die Endlosfaserzuführung, der eigentliche Schneidprozess und der Faseraustrag zu analysieren. Auf dieser Basis ist der Prozess für metallische Fasern unter dem Aspekt der technischen

4

Realisierbarkeit zu untersuchen. Mit Blick auf die System- und Prozessstabilität gilt es in einem weiteren Schritt, den Faserspritz-Prozess für metallische Verstärkungswerkstoffe unter Anwendung einer geeigneten Konstruktionssystematik neu zu entwickeln und experimentell zu verifizieren. Am Ende dieser Arbeit steht ein neu entwickeltes, funktionstüchtiges Faserspritzverfahren für metallische Fasern einschließlich eines erweiterten Prozessverständnisses, welches eine Bewertung des hier vorgestellten Verfahrens hinsichtlich der Möglichkeiten und Grenzen in Bezug auf die Anwendbarkeit und die Maschinentechnik erlaubt. Hierzu wird in den nachfolgend beschriebenen Schritten vorgegangen:

1. Mittels ausführlicher Literaturrecherche wird der Stand der technologischen Entwicklung des Faserspritzens beschrieben sowie die verfahrenstechnischen Grundlagen vorgestellt (Kap. 2). Anschließend werden die bislang im Einsatz befindlichen klassischen Matrix- und Faserwerkstoffe vorgestellt. In Abgrenzung zu diesen Verstärkungsfasern werden die grundlegenden Unterschiede zu metallischen Werkstoffen erläutert, um hierauf aufbauend verschiedene metallische Werkstoffe auf Basis ihrer mechanischtechnologischen Eigenschaften und Verfügbarkeit als Faserkomponente für die weiteren Versuche auszuwählen (Kap. 3).

2. Im Anschluss an die technologischen und werkstoffkundlichen Grundlagen ist die eigentliche Verfahrensentwicklung für metallische Fasern vorgesehen (Kap. 4). Hierzu sind die Auswirkungen eines Wechsels auf Metallfasern im Hinblick auf die Prozesse der Zuführung, des Zerteilens, der Vereinzelung und des Austrags sowie auf das vorhandene Schneidsystem zu untersuchen, zu analysieren und grundlegend neu zu entwickeln. Dazu werden neben konstruktiven Aspekten Fragestellungen des Dauerbetriebes einschließlich des Verschleißes untersucht. Das Ziel besteht in der Sicherstellung eines im Dauerbetrieb funktionstüchtigen Schneidsystems zum Fördern und Trennen unterschiedlicher Metallfasern in reproduzierbarer Qualität.

1 Einleitung und Zielsetzung

3. In einem weiteren Schritt ist ein Versuchsprogramm, das der Verifikation des neu gestalteten Spritzprozesses dient, zu entwickeln. Dieses Programm muss in seinem Aufbau und in der Durchführung gewährleisten, dass unterschiedliche metallische Fasern in verschiedenen Dicken und zusätzlichauf Basis der bereits gewonnenen Erkenntnisse - relevante Prozessparameter innerhalb des Faserspritzprozesse variiert werden können, um den Einfluss auf die Schichtausbildung zu untersuchen (Kap. 5).

4. Anschließend ist die Verifikation des neu entwickelten Schneidsystems für metallische Fasern im Hinblick auf die Stabilität des Gesamtprozesses innerhalb einer realen Faserspritzanlage gemäß Versuchsprogramm vorgesehen (Kap. 6). Mit den bekannten Methoden der Werkstoffanalyse sollen die erzeugten Schichtsysteme charakterisiert werden, um hierauf aufbauend die Einflüsse der Parametervariationen in ihrer Wirkung auf die Eigenschaften gezielt untersuchen und Vergleiche mit konventionell fasergespritzten GFK-Bauteilen anstellen zu können.

5. In einer Zusammenfassung sollen am Ende der Arbeit schließlich die entscheidenden Erkenntnisse resümiert und ein Ausblick hinsichtlich der Überführung in die betriebliche Praxis sowie weiterführende Entwicklungen vorgestellt werden (Kap. 7).

6

2 Stand der Faserspritztechnik

2.1 Faserspritzverfahren

Mit Blick auf die faserverstärkten Kunststoffbauteile muss bei der Verarbeitung von FKV unterschieden werden, um welche Form des Matrixsystems es sich handelt und welche Verstärkungsform vorliegt. Mit dieser Vorgehensweise der Unterscheidung lassen sich die Verfahren in Gruppen zusammenfassen. In diesem Zusammenhang gibt Abb. 2.1 eine Übersicht der wesentlichen Verfahren zur Verarbeitung von FKV nach [Kem 97] wieder.

Abb. 2.1: Matrixabhängige FKV-Fertigungsverfahren

2 Stand der Faserspritztechnik

Wie aus der Abbildung hervorgeht, zählt zu der Gruppe der FKV mit duroplastischer Matrix das Handlaminieren. Dieses älteste, aber immer noch bewährte Verfahren, das auch als Nasslaminieren oder Auflegeverfahren bezeichnet wird, dient der Herstellung von Faserverbundbauteilen und wird insbesondere in der Einzel- und Kleinserienfertigung zum Herstellen von Bauteilen komplexer Geometrie angewendet [Str 93]. Typische Anwendungen sind die Herstellung von Booten, Großbehältern, Leichtflugzeugen und Prototypen aller Art. Eine Weiterentwicklung des Handlaminierens stellt das Faser/Harz-Spritzen, oder auch Faserspritzverfahren genannt, dar. Diese Technik ist im Prinzip eine teilautomatisierte Abwandlung des manuellen Laminierens von Fasermatten und Gewebelagen, jedoch mit einer deutlich höheren Laminat-Austragsleistung von durchschnittlich 300 kg/min [Hei 86]. Dabei werden die Werkstoffkomponenten Harz, Härter und Fasermaterial mit einer Spritzeinheit auf die Werkzeugoberfläche aufgetragen (Abb. 2.2).

2 Stand der Faserspritztechnik

Tab. 2.1: Vor- und Nachteile des Faserspritzens

* unkritisch bei geübtem Personal

2.2 Verfahrenstechnische Grundlagen

Zur Schaffung der Grundlagen, um mit diesem Verfahren zukünftig metallische Fasern zu verspritzen, werden im Folgenden die verfahrenstechnischen Prozesse detailliert beschrieben, analysiert sowie die verfahrenstypischen Besonderheiten erläutert.

Im Hinblick auf den eigentlichen Faserspritzprozess werden die Medien sowohl Harz und Härter als auch die Glasfasern in Form eines Rovings der eigentlichen Sprühpistole zunächst separat zugeführt. Generell lässt sich das Faserspritzen in die Teilprozesse Faserzufuhr und -schnitt, Förderung des Harz/Härtergemisches und das eigentliche Verspritzen der Komponenten unterteilen.

Wird innerhalb des Gesamtsystems zunächst der Faser-Prozess betrachtet, so ist dieser in seinen Teilschritten Zuführung, Schneiden und Austrag eindeutig durch das Schneidwerk bestimmt. Hierbei wird der Roving zunächst durch den eigentlichen Schneidprozess von einer freistehenden senkrechten Rolle gezogen und in das Schneidwerk gefördert. Mit Blick auf den Schneidprozess besteht das Schneidwerk aus einer angetriebenen Messerwelle und in den meisten Fällen aus einer nicht angetriebenen Gegenrolle aus Hartgummi, die eine Justierung der beiden Kontaktpartner erlaubt. Dabei taucht die Messerwelle während des Schneidens des Rovings in die Gegenwalze ein und bewirkt durch diese lokale, scharfe Umlenkung des üblicherweise eingesetzten Glasfaserrovings ein sprödes Brechen. Durch diesen Trennvorgang des Rovings kommt es zu einem ersten Separieren der Glasfasern, die anschließend mit Druckluft aus der Schneidkammer ausgetrieben werden. Neben diesem Effekt bewirkt der Luftstrom, dass die Verstärkungsfasern, die meist eine Länge von 20 - 50 mm aufweisen, vereinzelt in das verspritzte Harz/Härtergemisch eingebracht werden. Gleichzeitig sorgt das Eindringen des Messers in die Gegenrolle für einen weiteren Effekt, der darin besteht, dass das Fasermaterial in Schnittrichtung gezogen wird. Bedingt durch die hohe Schnittfrequenz kommt es infolgedessen zu einem kontinuierlichen Materialfluss, der von der stehenden Spule bis zum eigentlichen Schneidprozess reicht. Aus diesem Grund wird für das Faserspritzen in der Regel kein angetriebenes Abrollsystem für die Spule des Fasermaterials benötigt [Sch 03].

In Bezug auf den Prozess des Harz/Härtergemisches werden die flüssigen Matrixkomponenten mit Hilfe von Druckluft bzw. Pumpen gefördert, wobei es erst unmittelbar vor dem Spritzprozess im Innern der Pistole zur Mischung von Harz und Härter kommt. Im letzten Prozessschritt des Verspritzens schließlich

2 Stand der Faserspritztechnik

werden mit Hilfe eines Harz/Faser-Spritzgeräts die Werkstoffkomponenten Harz, Härter und das mit Druckluft ausgetriebene Fasermaterial auf die Werkzeugoberfläche aufgespritzt. Während der Flugphase erfolgt eine Benetzung der o. g. Verstärkungsfasern durch das verspritzte Harz/Härtergemisch, so dass es zu einem gleichmäßigen und kontinuierlichen Schichtaufbau kommt [Fle 95]. Hierbei lassen sich Harz und Fasermenge stufenlos regulieren. Der erreichbare Fasergehalt innerhalb der Schicht liegt bei 20 - 45 Gew. % [Kem 97].

Da das handgeführte Faserspritzen als erste und preiswerteste Automatisierungsstufe des Handlaminierens das zentrale Element dieser Arbeit darstellt, soll im Folgenden zusätzlich auf zwei Besonderheiten des Verfahrens eingegangen werden. Hierbei handelt es sich zum einen um die Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Schadstoffemissionswerte und zum anderen um die verfahrensbedingte Möglichkeit der Automatisierung.

Das Faserspritzen gleicht vom kinematischen Ablauf und den Arbeitsplatzbedingungen im Allgemeinen den Beschichtungsverfahren durch Spritzen. Jedoch besteht hier durch die Zerstäubung der flüssigen Harz-Härterkomponente noch stärker als z. B. beim Nasslaminieren die Gefahr einer gesundheitsgefährdenden Lösungsmittelemission, da während des Spritzens und des Verdichtens der Laminate Styroldämpfe in die Umgebung gelangen können. Styrol ist ein aromatischer Kohlenwasserstoff mit einem süßlichen Geruch. Die farblose, stark lichtbrechende Flüssigkeit zeichnet sich durch hohe Flüchtigkeit mit der Folge aus, dass sich Styroldämpfe rasch im gesamten Arbeitsbereich verteilen. Die Dämpfe gelangen während des Verspritzens in die Umgebungsluft und werden aus arbeitsmedizinischer Sicht primär über die Atemwege aufgenommen. Neben den akuten Gesundheitsgefahren einer Styrol-inkorporation mit Schädigungen des zentralen Nervensystems sowie Schleimhautreizungen an Augen und oberen Atemwegen sind vor allem die chronischen Gesundheitsgefahren durch eine langzeitige Einwirkung von Styrol Gegenstand laufender wissenschaftlicher Untersuchungen. Hier stehen dosisabhängige Wirkungsprinzipien am zentralen und peripheren Nervensystem und

an den Atemwegen im Vordergrund, aber auch mutagene, teratogene und kanzerogene Effekte werden gegenwärtig tiefergehend wissenschaftlich diskutiert [Fra 02, Led 04, Zag 03].

Zur Vermeidung einer Gefährdung des Arbeitspersonals ist der zulässige Konzentrationswert für Styrol (MAK-Wert) in der Vergangenheit von 200 auf 100 ppm und in jüngster Zeit sogar auf 20 ppm gesenkt worden [Erm 82-2, Roh 02]. Diese Entwicklung ist jedoch nicht nur auf die Bundesrepublik Deutschland begrenzt, sondern setzt sich international fort, wie beispielsweise [Noo 01] für die USA zeigt. Die Einhaltung bzw. Unterschreitung des Wertes erfordert einen erheblichen Aufwand in der Prozessgestaltung [Kun 98] bzw. in der Peripherie in Form beispielsweise einer Luftabsaugung. Der hierdurch verursachte Kostenanstieg bzgl. der Arbeitsplatz- und Umweltaufwendungen des Verfahrens (Abb. 2.4) hat stellenweise dazu geführt, dass Verarbeiter vom Faserspritzen Abstand nehmen und zu dem aufwendigeren Handlaminieren zurückkehren. Bezüglich möglicher Beeinträchtigungen der Gesundheit sollte vollständigkeitshalber an dieser Stelle erwähnt werden, dass bei der spanenden Nachbearbeitung der hier beschriebenen Composite-Werkstoffe eine Arbeitspersonal-Gefährdung durch Schleifstaub ebenfalls nicht ausgeschlossen werden kann und auch hier entsprechende Vorkehrungen zu treffen sind.

Abb. 2.4: Relativer Kostenvergleich verschiedener FKV-Fertigungsverfahren

2 Stand der Faserspritztechnik

Neben der Schadstoffemission weist das Faserspritzen eine weitere Besonderheit auf, die bedingt durch die konsequente Weiterentwicklung des Verfahrens in der Zunahme des Automatisierungsgrades liegt. Trotz der Beschränkung auf die Einzel- und Kleinserienfertigung sind in der Vergangenheit bereits für das Handlaminieren sowie angeschlossener Prozesse Optimierungen hinsichtlich einer Teil- und Vollautomatisierung durchgeführt worden [Sch 82, Sch 82-1, Spu 71, Fei 83, Sco 82, Ber 83, Erm 82-1, Men 83, Kar 79, Men 82]. Im Gegensatz dazu liegt eine Stärke des Faserspritzens gerade in der Herstellung von Bauteilen in mittelgroßen Stückzahlen. Beeinträchtigt wird das Verfahren jedoch neben anderen Aspekten vor allem durch einen hohen Anteil an manuellen Tätigkeiten und die daraus resultierenden Folgen, wie hohe Lohnkosten, schlechte Reproduzierbarkeit der Bauteilqualität und - wie bereits erwähnt - eine mögliche gesundheitliche Gefährdung des Arbeitspersonals. Aus diesem Grund und unter Berücksichtigung von Qualitätsaspekten sowie der schnellen Anpassung an wechselnde Bauteilgeometrien wird für das Faserspritzen zunehmend eine Automatisierung angestrebt. Die Grundlage für diesen Automatisierungsprozess bildet das Flussschaubild gemäß Abb. 2.5.

Abb. 2.5: Flussschaubild des Faserspritzens [Erm 82-2]

Bei der Konzeption eines vollautomatisierten Faserspritzprozesses müssen allerdings zusätzlich Überlegungen zur Vorratsüberwachung, Massenstromüberwachung (Harz, Härter/Faserdurchsatz), sowie zur Regelung der Massenströme einfließen, die in einer entsprechenden Steuerungs- und Regelungstechnik aber vor allem bzgl. der Anforderungen an den Industrieroboter zu berücksichtigen sind [Bau 83, Kön 83, Men 84, Bar 84, Mas 82]. Da jedoch heute zahlreiche Beschichtungsaufgaben mit numerisch gesteuerten Handhabungsgeräten durchgeführt werden und demzufolge in diesem Bereich auch bereits ein entsprechend großer praktischer Erfahrungsschatz vorliegt [Erm 82-1, Erm 83, Rob 83, War 79], schreitet die industrielle Einführung des flexibel automatisierten Faserspritzens zunehmend voran. Abschließend ist beispielhaft in Abb. 2.6 eine robotergesteuerte Faserspritzanlage dargestellt.

Abb. 2.6: Industrierobotergesteuerter Faserspritzprozess [Spu 84]

3 Werkstoffe

3 Werkstoffe

Wie bereits einleitend erwähnt wurde, besteht ein FKV aus mindestens 2 Komponenten, und zwar aus einer Einbettungsmasse, d. h. Matrixsystem sowie einem Verstärkungswerkstoff, d. h. Fasersystem mit ca. 10 - 75 Gew. %-Anteil. Die Matrix übernimmt dabei unter anderem die Aufgaben, im Verbund die äusseren Kräfte auf die Fasern zu übertragen, die Fasern zusammenzuhalten und sie vor Umwelteinflüssen zu schützen [Her 98]. Darüber hinaus beeinflusst das Matrixsystem in großem Maße die physikalischen Eigenschaften, vor allem aber die maximale Einsatztemperatur. Dabei hängen die Wärmeformbeständigkeit und die Schlagzähigkeit üblicherweise voneinander ab [Fle 95, Zie 83, Hen 84, Lan 98]. Die Fasern ihrerseits ermöglichen untereinander im Verbund positive Effekte, die Abb. 3.1 wiedergibt.

Abb. 3.1: Effekte von Fasern im Verbund [Dis 99]

In der Gesamtheit sind die mechanischen Eigenschaften von FKV abhängig von den Eigenschaften der Matrix- und der Faserwerkstoffe, dem Gehalt, der Geometrie und der Anordnung der Fasern sowie dem Verhalten in der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix [Sch 96]. Vor diesem Hintergrund sollen, bevor auf die eingesetzten Faserwerkstoffe näher eingegangen wird, nachfolgend zunächst die üblicherweise in FKV eingesetzten Matrixwerkstoffe detailliert beschrieben werden. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um homogene Polymersysteme, die sich jedoch in ihrem Aufbau erheblich unterscheiden können.

3.1 Matrixwerkstoffe

Ebenso wie bei den Metallen das jeweils vorliegende Gefüge einen wesentlichen Einfluß auf die Eigenschaften und die Verhaltensweisen des Werkstoffs hat, bestimmt bei der Kunststoff-Matrix die Aufbauform ihrer Makromoleküle, deren Gestalt und Größe sowie deren gegenseitige Zuordnung in beherrschendem Maße das Werkstoffverhalten. Sie sind maßgebend für die mechanischen Eigenschaften, wie Härte, Festig- bzw. Steifigkeit und wirken sich auch entscheidend auf das für die Kunststoffe so bedeutsame mechanischthermische Verhalten aus. Weiterhin bestimmen sie durch ihren Einfluß auf den Erweichungsbeginn und das Schmelzverhalten die Verarbeitungseigenschaften bei der plastischen Formgebung. Heute finden für die Anwendung als Matrixwerkstoffe in FKV neben geringen Anteilen von Elastomeren, vorwiegend Thermo- und Duroplaste Verwendung. Die strukturelle Anordnung der Makromoleküle zeigt bei diesen Kunststoffen jedoch deutliche Unterschiede, die im Folgenden für die im Rahmen dieser Arbeit betrachteten Duroplaste detailliert beschrieben werden.

Duroplaste, oder auch Duromere genannt, die nach [Ehr 99] nur einen vergleichsweise kleinen Teil der Kunststoffe ausmachen, unterscheiden sich sowohl in ihrem chemischen Aufbau als auch hinsichtlich der Verarbeitungstechnik deutlich von den Thermoplasten. Infolgedessen zeigen sich

3 Werkstoffe

grundlegende Unterschiede im Vergleich der Eigenschaften von duro- und thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen [Zie 96].

Duroplaste entstehen durch Vernetzungsreaktion und sind ausgehärtete Werkstoffe, die eine räumlich sehr eng vernetzte Anordnung von Monomeren aufweisen, wodurch im Molekülverbund starke Bindungskräfte bestehen. Daraus folgen die im Vergleich zu Thermoplasten hohe Festigkeit, Steifheit und Härte der Duroplaste, die umso größer sind, je höher der Vernetzungsgrad ist [Bar 94]. Eine übermäßig weit getriebene Vernetzung führt allerdings zu einer Versprödung, da eine an sich noch mögliche elastische Verformung behindert wird. Darüber hinaus macht die Vernetzung diese Werkstoffe nicht nur unlöslich, sie verhindert auch die plastische Verformung, da weder ein Platzwechsel der in den Molekülen fest eingebundenen Atome möglich ist, noch die Moleküle aneinander abgleiten können. Ihre Beweglichkeit ist so stark eingeschränkt, dass auch bei Erwärmung keine merkliche Erweichung eintritt. Duroplaste sind daher im Vergleich zu Thermoplasten nicht schmelzbar, sondern es kommt bei Erwärmung ab einer bestimmten Temperatur zur Zersetzung (Abb. 3.2). Darüber hinaus besitzen sie aufgrund des Nicht-Ausbildens kristalliner Bereiche eine geringe Wärmeleitfähigkeit [Eli 81].

Festigkeit, Dehnung

Abb. 3.2: Zustandsbereiche von Duroplasten [Bar 94]

Zur Bildung der Makromoleküle wird eine chemische Reaktion benötigt, die als Polymerisation bezeichnet wird. Hierbei reagieren Monomere, häufig ungesättigte organische Verbindungen, unter Einfluss von Initiatoren und unter Auflösung der Mehrfachbindung zu Polymeren (Moleküle mit langen Ketten, bestehend aus miteinander verbundenen Monomeren). Dabei wird zwischen Homo-Polymerisation, bei der nur eine Monomerart umgesetzt wird, und Co-Polymerisation, bei der zwei oder mehr verschiedene Monomere zur Reaktion gebracht werden, unterschieden. Die Produkte der Polymerisation werden als Polymerisate bezeichnet.

Wie in Abb. 3.3 dargestellt, wird bei der Polymerisation nach der IUPAC-Nomenklatur (International Union of pure and applied science) zwischen Stufenwachstums- und Kettenwachstumsreaktion unterschieden. Dabei umfasst die Stufenwachstumsreaktion die Polyaddition und Polykondensation, bei der bereits vorhandene Kettensegmente infolge der schrittweisen Reaktion ihrer funktionellen Gruppen zu einer größeren Kette zusammenwachsen können [Her 98-1, Mic 92-1].

Abb. 3.3: Reaktionstypen der Polymerbildung [Bau 06]

3 Werkstoffe

Die Polyaddition stellt eine chemische Reaktion dar, bei der durch "Addition" der Monomere ohne Bildung von Nebenprodukten hochmolekulare Polyaddukte gebildet werden. Die Verknüpfung erfolgt durch eine intramolekulare Umlagerung, d. h. Wasserstoffatome, die sich relativ leicht aus den funktionellen OH-, NH 2 - oder COOH-Gruppen lösen lassen und von einem Molekül zum anderen verschoben werden. Die dadurch frei werdenden Valenzen bilden nun die Hauptvalenzen, die die Verknüpfung der Moleküle bewirken. Zu dieser Gruppe zählen neben den Polyurethanen vor allem die Epoxidharze, die die duroplastischen Matrixsysteme dominieren und über ausgezeichnete mechanische, elektrische sowie generelle Benetzungs-Eigenschaften verfügen.

Im Gegensatz zur Polyaddition ist die Polykondensation eine chemische Verknüpfung von Monomeren unter Ausbildung eines Polymers bei gleichzeitiger Abspaltung von Nebenprodukten wie beispielsweise Wasser oder Alkohol. Diese Produkte müssen kontinuierlich abgeführt werden. Dabei ist die Reaktion eine stufenweise über stabile, aber weiterhin reaktionsfähige Zwischenprodukte ablaufende Kondensationsreaktion, bei der Makromoleküle gebildet werden, die auch als Polykondensate bezeichnet werden. Hierbei wird zwischen gleichartigen Monomeren und Monomeren verschiedener Art (z. B. Copolymerisation) unterschieden. Damit ein Monomer an der Reaktion teilnehmen kann, muss es mindestens zwei funktionelle, besonders reaktionsfähige Gruppen wie beispielsweise -OH und -NCO besitzen. Im Unterschied zur Polyaddition ist die Polykondensation eine Gleichgewichtsreaktion, d. h. die Reaktion läuft nur solange ab, bis zwischen den Reaktionspartnern, also den Ausgangsstoffen und den durch die Reaktion gebildeten Endstoffen ein Gleichgewichtszustand erreicht worden ist. Zu dieser Gruppe gehören neben Phenolharzen und Polyamiden auch die Aminoharze.

Mit Blick auf die Kettenwachstumsreaktion lagert sich immer ein Molekül nach dem anderen an das so genannte reaktive Kettenende an. Zu den Kettenwachstumsreaktionen zählen die radikalische, die anionische bzw. kationische sowie die koordinative Polymerisation (s. Abb. 3.3). Hierbei werden

infolge der Kettenreaktion ungesättigte Moleküle zu Makromolekülen (Polymeren) unter Aufspaltung von Doppel- bzw. auch Dreifachbindungen ohne Reaktionsnebenprodukte verknüpft. Die resultierende Kettenlänge ergibt sich aus dem Polymerisationsgrad, d. h. der Anzahl der zu einem Makromolekül zusammengeschlossenen Monomere. Der Vorteil dieser Gruppe, zu der z. B. ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze sowie ähnliche doppelbindungshaltige Systeme gehören, ist die in der Regel kurze Härtungszeit ohne Bildung von Nebenprodukten. Vor dem Hintergrund, dass Polyesterharze im Rahmen des Faserspritzprozesses überwiegend Verwendung finden, wird dieser Harztyp nachfolgend als Vertreter der Duroplast-Matrix vorgestellt.

Zu den ungesättigten Polyesterharzen (UP) nach [Din 89, Din 89-1] zählen z. B. die Harze Alpolit, Leguval, Palatal, Rütapal, Stratyl und Vestopal. Im Fall von Formmassen als SMC oder BMC zählen z. B. die Harze Bakelite, Keripol, Menzolit, Norsomix, Resipol und Spraplast dazu [Bei 90]. Prinzipiell enthalten UP-Harze Polymermoleküle, die aus Kondensationsreaktion zwischen ungesättigten Dicarbonsäuren und Dialkoholen gebildet wurden, noch Doppelbindungen. Da die Polymere in dieser Form für Formstoffe ungeeignet sind, werden sie in einer monomeren Vinylverbindung - meist Styrol - gelöst, um anschließend mit dieser copolymerisiert zu werden. Die Reaktion wird durch Radikalbildner eingeleitet, die sich an den Doppelbindungen anlagern und durch deren Öffnung zur Vernetzung führen. Der Vernetzungsprozeß erfolgt erst bei der Verarbeitung der Reaktionsharze durch die sog. Aushärtung. Zum Zerfall der unmittelbar vor der Verarbeitung zugesetzten Initiatoren zu Radikalen, die die Vernetzung bewirken, ist Wärmezufuhr erforderlich. Die Vernetzung kann jedoch auch bei Raumtemperatur erreicht werden, wenn den Initiatoren Beschleuniger zugesetzt werden. Dies sind Substanzen, die durch Elektronenabgabe den Initiator bereits bei Raumtemperatur in ein Ion und ein Radikal aufspalten, welches dann die Copolymerisation einleitet. Die bei der Reaktion frei werdende Wärme reicht im Allgemeinen zu einem genügenden Vernetzungsgrad aus. Soll dieser erhöht werden, um die Formbeständigkeit des Endprodukts auch bei höheren Temperaturen zu verbessern, ist eine Nachhärtung durch nachträgliche Erwärmung erforderlich. Die räumlich

3 Werkstoffe

vernetzten Endprodukte aus solchen Reaktionsharzen haben, insbesondere mit eingebetteter Faserverstärkung, große technische Bedeutung erlangt.

Die Eigenschaften von UP sind abhängig vom Aufbau des Polyesters, vom Vernetzungsgrad, von der Art und Menge des Verstärkungsmaterials und vom Verarbeitungsverfahren. UP-Harze sind glasklar, können in vielen Farben eingefärbt werden und sind brennbar. Hierbei werden verschiedene Typen unterschieden:

• Normalharze für allgemeine Verwendungszwecke ohne spezielle Anforderungen,

• Harze mit besonderer Chemikalienbeständigkeit,

• selbstverlöschende Harztypen, die außerhalb des Wirkungsbereichs einer Flamme nicht weiterbrennen und

• wärmestandfeste Typen, die auch bei höheren Temperaturen (je nach Glasgehalt bis etwa 180 °C) keine wesentliche Einbuße an Festigkeit erleiden.

Dabei zeichnet sich UP vor allem durch die hohe Festigkeit, die günstigen elektrischen Isoliereigenschaften, dem günstigen dielektrischen Verhalten sowie durch eine sehr gute Kriechstromfestigkeit aus. Darüber hinaus weisen UP-Harze Einsatztemperaturen bis 100 °C, zum Teil bis 180 °C bei gleichzeitig guter chemischer Beständigkeit auf. Applikationen sind vor allem für Außenanwendungen sowie generell als Formteile wie z. B. großflächige Konstruktionsteile wie Fahrzeugbauteile, Boots- und Segelflugzeugrümpfe, Behälter, Heizöltanks, Container und Sportgeräte anzutreffen. Darüber hinaus finden UP-Formteile als Preß- und Spritzgußteile für technische Formteile mit hohen Anforderungen an mechanische und thermische Eigenschaften bei guten elektrischen Eigenschaften wie Zündverteiler, Spulenkörper, Steckverbinder, Schalterteile Verwendung.

3.2 Faserwerkstoffe

Die verstärkende Wirkung der Fasern in dem Matrixsystem wird einerseits durch deren Länge, deren Durchmesser und chemischem Aufbau der Fasern bestimmt; anderseits durch deren Fasergehalt und Lage der Fasern im Verbund. Die Kombinationen von Fasern zu textilen Halbzeugen ermöglicht eine zusätzliche Eigenschaftsoptimierung.

Ausgangspunkt aller textilen Halbzeuge ist dabei das Faserfilament in endloser, aber auch auf bestimmte Länge geschnittener Form (Kurzfasern, Schnittfasern). Parallel angeordnete endlose Filamente werden als Roving bezeichnet. Dem Roving ähnlich ist das endlose Garn, das aus Schnittfasern (Kurzfasern) besteht, die in einem Spinnprozeß zu Endlosgarnen verarbeitet werden. Aus den Faserelementen Monofilament, Schnittfaser, Roving und Garn sind alle Flächengebilde aufgebaut. Dabei zählen die Gewebe, Geflechte, Matten und Vliese zu den traditionellen Verstärkungskomponenten, wohingegen die maschenbildenden Systeme wie Gestricke und Gewirke erst seit wenigen Jahren zur Verstärkung von Kunststoffen eingesetzt werden [Fle 95]. Abb. 3.4 gibt einen Überblick der Fasergebilde. Darüberhinaus existierende Verstärkungsfasern wie beispielsweise Hohlfasern [Nie 76, Edi 91] bleiben hierbei unberücksichtigt.

In Anlehnung an [Wul 98] lassen sich generell folgende Fasertypen nach ihrer chemischen Herkunft unterscheiden:

• natürliche Fasern wie Hanf-, Sisal-, Holz- und Cellulosefasern

• synthetische Fasern wie Polyacrylnitril, Polyester, aromatischer Polyamid, Carbon, Polyamid

• anorganische Fasern wie Glas-, Borfasern

• metallische Fasern wie Kupfer, Stahl oder Blei

• tierische Fasern

3 Werkstoffe

Mit Ausnahme der tierischen Fasern sollen im Folgenden die Hauptvertreter der

natürlichen, synthetischen/anorganischen und metallischen Fasern genauer

vorgestellt und beschrieben werden.

Abb. 3.4: Übersicht der trockenen Fasergebilde als Verstärkungskomponenten

in Kunststoffen [Ehr 92]

3.2.1 Natürliche Faserwerkstoffe

Abgesehen von den tierischen lassen sich Naturfasern auf Basis pflanzlicher

Cellulose, generell in Pflanzenhaare (z. B. Baumwolle), Hart- bzw. Blattfasern

(z. B. Sisal, Kokos) und Bast- bzw. Stengelfasern (z. B. Flachs, Hanf, Jute)

unterteilen. Aufgrund ihrer im Vergleich zu Glasfasern sehr guten spezifischen

mechanischen Eigenschaften, ihrer CO 2 -Neutralität und des geringen

Faserpreises stellen diese Fasern eine zunehmend interessante Verstärkungs-

alternative für Kunststoffe dar [Fro 01, Höc 94]. Entsprechend der Glasfaser, die

als Gewebe, Matte oder Vlies eingesetzt wird, existieren analoge Naturfaser-

halbzeuge. Im Gegensatz zu synthetischen Werkstoffen wie beispielsweise

Glasfasern besitzen Naturfasern jedoch eine endliche Länge und müssen zur Herstellung eines kontinuierlichen Fadens textiltechnisch aufbereitet werden. Je nach Art der Faservorlage werden Bastfasern hierzu nach dem sog. ersten Aufschluß auf dem Feld zu einem Faserflor verarbeitet, welcher nachfolgend zu einem Faserband zusammengefasst werden kann. Innerhalb der Faserverbundsysteme ist die Verarbeitung von Naturfaservliesen mittels verschiedener Verfahren möglich. So findet neben der Preßtechnik, der RTM- und Autoklavtechnik auch das im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Faserspritzen vermehrt Verwendung zur Herstellung naturfaserverstärkter Composite [Dur 97, Fro 98, Fro 00-2, Fro 00-3].

Hinsichtlich der Anwendungsgebiete stellen Verbundwerkstoffe aus polymeren Matrixsystemen mit natürlichen Verstärkungsfasern neben der ausschließlichen Verarbeitung von Naturfasern in Dämmstoffen und Geotextilien eine Alternative zu glasfaserverstärkten Bauteilstrukturen dar. Die guten mechanischen Eigenschaften, wie hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit ermöglichen einen breiten Einsatzbereich technischer Anwendungen, vor allem im Leichtbau. Zusätzlich wird heute den naturfaserverstärkten Kunststoffen eine erhöhte Aufmerksamkeit zuteil, da diese durch vom Ölmarkt unabhängige Faserpreise im Wesentlichen stabil auf niedrigem Niveau geblieben sind. Vor allem die Automobilindustrie prüft zunehmend den Einsatz von Naturfasern als Verstärkungsmaterial für Bauteile, bei denen die hohen mechanischen Festigkeiten von Glasfasern nicht erforderlich sind. Mittlerweile ist der Jahresverbrauch von Naturfaser-Verbundwerkstoffen in der deutschen Automobilindustrie von 1999 bis 2005 von 9000 auf 19000 Tonnen angestiegen [Fis 07]. Ein aktuelles Beipiel für die zunehmende Bedeutung dieser Faserwerkstoffe ist die serienmäßige Herstellung der Reserveradmulde der DaimlerChrysler A-Klasse auf Basis eines naturfaserverstärkten Polypropylens [Avk 06]. Abgesehen von der beschriebenen Leistungsfähigkeit ermöglichen nachwachsende Rohstoffe im Kunststoffverbund durch bekannte Recyclingmöglichkeiten eine umweltverträgliche Produktgestaltung [Sch 97].

3 Werkstoffe

3.2.2 Synthetische/Anorganische Faserwerkstoffe

Zur Verstärkung von Kunststoffen durch synthetische/anorganische Werkstoffe

finden hauptsächlich Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern in Form von

Kurzfasern, Rovings, Geweben oder Matten Verwendung. Werden die

unterschiedlichen Eigenschaften dieser Fasern miteinander verglichen, so zeigt

jeder Fasertyp bzgl. der mechanisch-technologischen Eigenschaften spezifische

Charakteristika. Gerade diese variierenden Eigenschaften bieten aus

Anwendersicht ein großes Spektrum möglicher Einsatzgebiete. In diesem

Zusammenhang gibt Tab. 3.1 eine quantitative Zusammenfassung der

mechanischen und thermischen Kennwerte dieser drei verschiedenen

Verstärkungsfasern wieder.

Tab. 3.1: Richtwerte mechanischer und thermischer Kenngrößen verschiedener Verstärkungsfasern [Spu 84]

70000 2400 25,4 2700 95 +5,0

Kohlenstoffaser (HT) 240000 3000 17,5 13700 170 -0,6

Kohlenstoffaser (HM) 400000 2000 17,5 22800 115 -1,0

Aramidfaser 130000 2700 14,4 9000 190 -2,0

^{E = E-Modul;} p ^{= Zugfestigkeit; = Dichte; E/ = Spez. Zugmodul;} p/ = Spez. Zugfestigkeit;

= Therm. Ausdehnungskoeffizient

Im Hinblick auf diese Eigenschaften zeichnen sich die Glasfasern hauptsächlich

durch eine relativ hohe Zugfestigkeit aus, schneiden allerdings aufgrund des

vergleichsweise niedrigen Elastizitätsmoduls, der hohen Dichte und des

thermischen Ausdehnungskoeffinzientens im Vergleich zu Aramid- und

Kohlenstoff-Faser schlechter ab.

Glasfasern, die in die Gruppen A-, C-, D-, E-, S- und normales Quarzglas

eingeteilt werden, besitzen in Form von glasfaserverstärkten Kunststoffen

(GFK) im Allgemeinen hervorragende Eigenschaften in chemischer,

mechanischer sowie thermischer Hinsicht und wirken gleichzeitig als

elektrischer Isolator. Von allen Werkstoffen stellen die Glasfasern mit rund 90 % den größten Anteil aller Verstärkungsfasern dar. Neben der Tatsache, dass das erste kommerzielle Glasfasergewebe bereits Mitte 1935 hergestellt wurde [Bai 93], liegt die Begründung für das nahezu konstante jährliche Wachstum von etwa 3 % der GFK (Abb. 3.5) hauptsächlich in dem relativ niedrigem Faserpreis von ca. 1,5 - 3 €/kg [Net 07] begründet.

1400 + 3,2 % + 2,3 % + 2,6 %

1200

1000 [1000 to.]

800

600

400

200

0

2003 2004 2005 2006 SMC/BMC Handlaminieren/Faserspritzen RTM Platten Rohre und Behälter Glasfaserverstärkte Thermoplaste Sonstige Abb. 3.5: Entwicklung der GFK Produktion in Europa [Avk 06]

Aus Tab. 3.1 ergibt sich weiterhin, dass Kohlenstoffasern sowohl hinsichtlich der Steifigkeit, Festigkeit, Dichte als auch des thermischen Ausdehnungskoeffizienten hervorragende Eigenschaften besitzen. In Laborversuchen können jedoch noch höhere Festigkeiten und Elastizitätsmoduli von Kohlenstoff-Fasern erreicht werden; z. B. besitzt die Faser Thornel 100 eine Festigkeit von 3450 MPa und einen Elastizitätsmodul von 690000 MPa [Lan 83]. Obwohl erst in den späten 60er Jahren kommerziell hergestellt, zeigen die Kohlenstoffasern ein enormes Wachstum, daß bereits in den 80er Jahren prognostizierte wurde [Böd 83].

3 Werkstoffe

Die hohen Wachstumsraten der Kohlenstoff-Faserproduktion, die aktuell auf einem Niveau von 27.000 to./a liegt und mit dem Aufbau weiterer Kapazitäten bis 2010 etwa 30.000 to./a erreichen wird [Rob 06], resultiert im Wesentlichen aus den vermehrten Entwicklungen im Luft- und Raumfahrtsektor. Allerdings liegt der Faserpreis, der von ehemals ca. 300 €/kg durch kontinuierliche Verfahrensoptimierung bei gleichzeitigen Mengensteigerungen auf ein Niveau von aktuell zwischen ca. 20 - 50 €/kg gesunken ist im Vergleich zur Glasfaser deutlich höher [Net 07]. Aus Kostenreduktionsgründen und zur Steigerung der Verfügbarkeit versprechen neuste Untersuchungen z. B. zur Recyclingfähigkeit von Kohlenstoff-Fasern jedoch weiteres Optimierungspotential [Töt 05].

Neben den o. g. Fasertypen haben in der Vergangenheit Aramidfasern - auch unter dem Begriff Kevlar bekannt - für das Gewebe an Bedeutung gewonnen. Mit Blick auf Tab. 3.1 zeichnet sich Aramid durch eine hohe Zugfestigkeit, ein im Vergleich zur Glasfaser höheren Elastizitätsmodul bei gleichzeitig geringerer Dichte aus. Aramid ist nicht brennbar, chemisch gegen Öl und Treibstoff beständig, nicht aber gegen Säuren und Laugen. Hinsichtlich der Verarbeitung lassen sich Aramidfasern leicht zu Matten verweben, da sie weniger spröde im Vergleich zu Glasfasern sind. Unter Kostenaspekten stellen die Fasern aus Aramid mit einem Preis von 20 - 35 €/kg (HM-Typ) jedoch keine Alternative zur Glasfaser dar [Net 07].

3.2.3 Metallische Faserwerkstoffe

Die von der Natur gelieferten Rohstoffe wie Erz, Kohle, Erdöl oder Holz durchlaufen verschiedene Verarbeitungsstufen, bevor sie als technisch verwertbare Werkstoffe vorliegen. Diese Werkstoffe lassen sich gemäß Abb. 3.6 in die bereits ausführlich beschriebenen Verbundwerkstoffe, die Nichtmetalle und in die Gruppe der Metalle einteilen.

Abb. 3.6: Übersicht der Werkstoffgruppen [Fac 85]

Metalle befinden sich mit Blick auf das Periodensystem im linken, die

Nichtmetalle-Elemente im rechten Teil. Unter Vernachlässigung der Halbleiter

folgt diese Einteilung der elektrischen Leitfähigkeit dieser Elemente. Dabei

beruht diese aber auch jede wesentliche andere Eigenschaft der Metalle auf der

als Metallbindung bezeichneten chemischen Verbindung. Hierbei kommt es

infolge der Elektronenabgabe der Metallatome zur Bildung von positiv

geladenen Ionen, so dass sich ein Elektronengas bildet. Die elektrostatischen

Kräfte zwischen Elektronengas und den positiv geladenen Atomrümpfen stellen

somit das Kennzeichen der metallischen Bindung dar. Diese genau definierte

Gleichgewichtslage der Atomrümpfe untereinander sowie zu dem vorhandenen

Elektronengas führt zu der regelmäßigen räumlichen Anordnung der Atome. Im

Gegensatz zu den Kunststoffen, deren Atome im amorphen oder teilkristallinen

3 Werkstoffe

Zustand vorliegen, ist diese Anordnung dafür verantwortlich, dass Metalle im festen Zustand Kristalle bilden [Rei 06]. Hierbei kommt es vorwiegend zu der Ausbildung des kubischraum- und flächenzentrierten sowie hexagonalen Kristallgitter-Grundtyps. Darüberhinaus bewirken Platzwechsel einzelner Atomrümpfe keine einschneidene Veränderung der elektrostatischen Kräfte, da in einem absolut reinen Metall alle Atomrümpfe einander vollkommen gleichwertig sind. Infolge dieser Verschiebbarkeit der Atome gegeneinander, ohne die metallische Bindung aufzuheben, beruht die plastische Verformbarkeit der Metalle als eine weitere wesentliche Eigenschaft.

Im Hinblick auf die im Rahmen des Faserspritzprozesses zum Einsatz kommenden Metallfasern werden aufgrund ihrer interessanten Eigenschaften und vielfachen Verwendung in verschiedenen technischen Bereichen die Elemente Kupfer und Blei als Faserwerkstoffe ausgewählt. Zusätzlich kommt Stahl als Verbindung von Eisen und Kohlenstoff sowie ein korrosionsbeständiger Stahltyp, der auch als Edelstahl bezeichnet wird, zur Auswahl. Der Grund hierfür liegt in der weiten industriellen Verbreitung und der guten Verfügbarkeit dieser Werkstoffe. Aufgrund dieser Auswahl werden diese vier Werkstoffe im Folgenden näher erläutert.

Stahl

Reines Eisen ist sehr weich bzw. verformbar und wird wegen seiner geringen Festigkeit nicht als technischer Werkstoff verwendet. Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement des Eisens und schon geringe Unterschiede im Kohlenstoffgehalt ändern die Stahleigenschaften entscheidend. Dabei wird der Kohlenstoff in den verschiedenen Eisenmodifikationen in die Zwischengitterplätze eingelagert und ist demzufolge nur im begrenzten Umfang löslich. Darüberhinaus enthalten die meisten in der Technik verwendeten Eisenlegierungen - außer Kohlenstoff - noch weitere Legierungselemente, die die Eigenschaften und das Gefüge zum Teil erheblich verändern. Als Eisenwerkstoffe werden diejenigen Metallegierungen bezeichnet, bei denen der mittlere Gewichtsanteil an Eisen höher ist als der jedes anderen Legierungselements. Sie werden - abhängig vom Kohlenstoffgehalt - in die

Gruppen der Stähle und Gußeisenwerkstoffe aufgegliedert und weisen teilweise sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Während bei Stählen der Kohlenstoff im Eisengitter gelöst oder in chemisch gebundener Form (Zementit; Eisencarbid Fe 3 C) vorliegt, tritt er im Gußeisen (C-Gehalt > 2 %) teilweise als Graphit auf. In diesem Zusammenhang bilden Stähle den Teil der Eisenwerkstoffe, die im Allgemeinen für eine Warmumformung geeignet sind und mit Ausnahme einiger chromreicher Sorten den Kohlenstoffgehalt von rund 2 % nicht überschreiten [Wer 84].

Durch das gezielte Beigeben von anderen Elementen in den Stahl, d. h. durch Legieren lassen sich die Eigenschaften in einem großen Umfang ändern bzw. einstellen. Der legierte Stahl enthält außer Eisen und Kohlenstoff im Allgemeinen mehrere dieser Legierungselemente. Als legiert gelten Stahlsorten nach [Din 00], wenn der Legierungsgehalt für wenigstens ein Element einen definierten Grenzwert erreicht bzw. überschreitet; unerwünschte Beimengungen (Verunreinigungen) gelten dabei nicht als Legierungselemente. In der Praxis werden die legierten Stähle in niedrig- und hochlegierte eingeteilt. Dabei weisen niedriglegierten Stähle ein Gehalt jedes Legierungselementes von kleiner 5 % auf und haben prinzipiell ähnliche Eigenschaften wie unlegierte, besitzen jedoch eine bessere Härtbarkeit, Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit. Im Gegensatz dazu weisen die hochlegierten Stähle einen Gehalt eines Legierungselementes von mindestens 5 % auf und finden dort Verwendung, wo Sondereigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit oder elektrische und magnetische Eigenschaften verlangt werden, die bei un- oder niedriglegierten Stählen nicht oder nur in unzureichendem Umfang vorhanden sind [Rog 92].

Ein gutes Beispiel für einen hochlegierten Stahl stellen die nichtrostenden Stähle dar, deren Resistenz in korrodierender Umgebung auf dem Legierungselement Chrom beruht. Dabei führt ein Chromgehalt über der Resistenzgrenze, d. h. von mindestens 12 % unter oxidierenden Bedingungen zu dichten, zähen, fest haftenden, sehr dünnen (ca. 5 nm) Oxidfilmen, d.h der Stahl wird beständig gegen oxidierende Medien. Die eigentliche Korrosionsbeständigkeit beruht dabei auf der Anwesenheit einer möglichst homogenen, dichten Oxid-