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Teil von Verbundwerkstoffe Auswahl Leitfaden für die Praxis
Verbundwerkstoffe Auswahl Anleitung für die Praxis
Verbundwerkstoffe auswählen: sechs Schritte von Anforderungsprofil über Faser und Matrix bis Lagenaufbau, Fertigung und Prüfung nach DIN EN ISO 527.
Das Wichtigste auf einen Blick
- Die Auswahl läuft in sechs Schritten: Anforderungsprofil, Faserauswahl, Matrixauswahl, Lagenaufbau, Fertigungsverfahren und Prüfung.
- CFK trägt hohe Lasten bei geringer Masse, GFK ist die wirtschaftliche Wahl für Behälter und Rohre.
- Kennwerte liefert der Zugversuch nach DIN EN ISO 527.
- Faserorientierung und Symmetrie des Lagenaufbaus bestimmen Steifigkeit und Verzug.
- Freigegeben wird ein Bauteil erst nach Probekörperprüfung und Bauteilversuch.
Die Arbeitsschritte in der Reihenfolge
Sechs Schritte der Werkstoffauswahl
- Anforderungsprofil aufstellenEntwicklung
- Faser auswählenWerkstofftechnik
- Matrix auswählenWerkstofftechnik und Fertigung
- Lagenaufbau festlegenBerechnung und Konstruktion
- Fertigung und Prüfung planenAV und QS
Anforderungsprofil vor der Werkstoffwahl
Am Anfang steht kein Werkstoff, sondern das Lastenheft. Die Entwicklung erfasst Einzellasten, Lastkollektive, zulässige Verformung, Temperaturbereich, Medienkontakt und die geforderte Bauteilmasse. Jede Anforderung erhält einen Prüfvermerk, damit sie später nachweisbar bleibt. Erst wenn das Lastenheft freigegeben ist, beginnt die Werkstoffbewertung.
Parallel legt das Team die Prüfgrundlagen fest. Für faserverstärkte Kunststoffe sind Zugversuch, Biegeversuch und Druckversuch üblich, die Systematik der DIN-Normen beschreibt Verbindlichkeit und Anwendung. Ohne diese Festlegung fehlt später die Vergleichsbasis für Lieferanten.
Faserauswahl: CFK, GFK, Aramid
Die Faserauswahl folgt der Lastrichtung. CFK eignet sich für Leichtbauteile mit hohen Zug- und Druckbeanspruchungen, etwa Pleuel, Streben oder Fahrradrahmen. GFK ist die wirtschaftliche Wahl für Behälter, Rohre und Abdeckungen, wenn Korrosionsbeständigkeit und Kosten den Ausschlag geben. Aramidfasern kommen bei Schlagbeanspruchung hinzu.
Ein Rechenbeispiel: Ein CFK-Laminat der Dichte 1,55 Gramm je Kubikzentimeter wiegt bei gleichem Volumen rund ein Fünftel eines Bauteils aus Stahl der Dichte 7,85 Gramm je Kubikzentimeter. Der Vorteil wirkt nur bei lastgerechter Faserrichtung.
Für Mobilitätsanwendungen bündelt das DIN-Themenfeld Mobilität die begleitende Normungsarbeit.
Matrixauswahl: Duromer oder Thermoplast
Die Matrix hält die Fasern, schützt sie und überträgt Schubkräfte. Duromere wie Epoxidharz, Polyester und Vinylester bieten hohe Steifigkeit und gute Faserhaftung, lassen sich aber nicht erneut umformen. Thermoplaste wie Polyamid oder PEEK sind umformbar und schlagzäher, verlangen aber höhere Verarbeitungstemperaturen und Werkzeugkosten.
Für GFK-Behälter dominiert Vinylester oder Polyester, für hochbelastete CFK-Strukturteile Epoxid. Maßgeblich sind Temperaturdauerfestigkeit, Medienbeständigkeit und Brandverhalten. Die Matrixwahl grenzt die Fertigungsverfahren ein und wird deshalb mit der Fertigung abgestimmt.
Lagenaufbau und Kennwerte
Der Lagenaufbau legt Faserorientierung, Reihenfolge und Dicke jeder Lage fest. Üblich sind Winkel von 0, 90 und 45 Grad, wobei die 0-Grad-Lage die Hauptlastrichtung trägt. Eine symmetrische Schichtung um die Mitte verhindert Verzug beim Abkühlen.
CFK
- Dichte in g/cm³
- 1,5 bis 1,6
- Zugfestigkeit in MPa
- 900 bis 1500
- E-Modul in GPa
- 70 bis 90
- Typische Anwendung
- Leichtbauteile
GFK
- Dichte in g/cm³
- 1,8 bis 2,0
- Zugfestigkeit in MPa
- 400 bis 900
- E-Modul in GPa
- 20 bis 45
- Typische Anwendung
- Behälter und Rohre
Aluminium
- Dichte in g/cm³
- 2,70
- Zugfestigkeit in MPa
- 200 bis 400
- E-Modul in GPa
- 70
- Typische Anwendung
- Gehäuse
Richtwerte für unidirektionale Laminate, abhängig von Faservolumenanteil und Orientierung.
Fertigungsverfahren festlegen
Das Verfahren folgt Stückzahl, Bauteilgröße und Oberflächenanforderung. Fünf übliche Wege:
- Handlaminieren und Faserspritzenkleine Stückzahlen, Behälter, einfache Formen.
- Wickelnrotationssymmetrische GFK-Behälter und Rohre.
- Harzinfusion und RTMgeschlossene Formen, mittlere Stückzahlen, gute Oberflächen.
- Prepreg mit Autoklav oder Pressehohe Faseranteile, Luftfahrt und Sportgeräte.
- PultrusionProfile mit konstantem Querschnitt für Bau und Industrie.
Prüfung nach DIN EN ISO 527 und Freigabe
Die Prüfung beginnt mit Probekörpern aus dem gefertigten Laminat. Der Zugversuch nach DIN EN ISO 527 liefert Zugfestigkeit, E-Modul und Bruchdehnung, der Ausschuss FNK beim DIN verantwortet die Normungsarbeit zu Kunststoffen und deren Prüfverfahren.
Danach folgt der Bauteilversuch mit realer Lasteinleitung, gefolgt von zerstörungsfreier Prüfung und Dokumentation. Die Freigabe erteilt die Qualitätssicherung, wenn Kennwerte, Bauteilversuch und Zeichnungsstand übereinstimmen.
Häufige Fragen
Wann ist CFK die richtige Wahl?
Wenn hohe Lasten bei geringer Masse gefordert sind und die Kosten zweitrangig bleiben, etwa bei Leichtbauteilen in Mobilität und Sport.
Wann genügt GFK?
Bei Behältern, Rohren und Abdeckungen mit moderaten Lasten, wenn Korrosionsbeständigkeit und Stückkosten im Vordergrund stehen.
Welche Norm gilt für den Zugversuch?
DIN EN ISO 527 für Kunststoffe, sie beschreibt Probekörper, Prüfgeschwindigkeit und Kennwertermittlung.
Wie viele Lagen braucht ein Laminat?
Die Zahl folgt aus dem Steifigkeits- und Festigkeitsnachweis je Lastrichtung, eine symmetrische Schichtung ist Standard.
Wer gibt das Bauteil frei?
Die Qualitätssicherung nach abgeschlossener Probekörperprüfung und erfolgreichem Bauteilversuch.
