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Teil von Verbundwerkstoffe Auswahl Leitfaden für die Praxis
Verbundwerkstoffe Auswahl nach Lastfall: GFK, CFK oder AFK
Verbundwerkstoffe Auswahl nach Lastfall: wann GFK, CFK oder AFK passt, mit spezifischer Steifigkeit, Schlagzähigkeit, Hybridaufbau und Plattenkosten.
Das Wichtigste auf einen Blick
- Der Lastfall entscheidetSteifigkeit bei geringer Masse spricht für CFK, große Flächen und Budget für GFK, Schlag und Dämpfung für AFK.
- Bei der spezifischen Steifigkeit, also E-Modul geteilt durch Dichte, liegt CFK mit etwa 87 bis 112 GPa je g/cm³ vorn. AFK erreicht rund 44 bis 59, GFK rund 19 bis 24.
- AFK ist der leichteste der drei Werkstoffe und schlagzäher als CFK, jedoch druck- und feuchteempfindlich.
- Hybride aus Glas außen und Carbon innen kosten weniger als reines CFK und halten Impact besser stand.
Erst den Lastfall klären, dann die Faser
Die Wahl zwischen GFK, CFK und AFK beginnt nicht beim Datenblatt, sondern beim Bauteil. Die Anwendung folgt dem Lastfall: Was muss das Teil tragen, aushalten oder dämpfen, und in welcher Stückzahl entsteht es? Die Tabelle ordnet die Fälle zu.
| Lastfall | Erste Wahl | Was dafür spricht |
|---|---|---|
| Steifigkeit bei geringer Masse | CFK | Höchste Steifigkeit, geringe Dichte |
| Große Flächen, hohe Stückzahlen, begrenztes Budget | GFK | Niedrigster Preis der drei Werkstoffe |
| Schlag, Schutz, Dämpfung | AFK | Schlagzäher als CFK, dämpft stark, leichtester Werkstoff |
| Schlag außen, Last innen | Hybrid aus Glas und Carbon | Glaslagen außen, Carbonlagen innen, günstiger als reines CFK |
Steifigkeit bei geringer Masse: CFK
Wo Steifigkeit bei geringer Masse entscheidet, führt an CFK kaum ein Weg vorbei. CFK bietet die höchste Steifigkeit zum höchsten Preis. Seine Bruchdehnung ist zugleich die niedrigste der drei Werkstoffe, das zeigt die Kennwerttabelle.
Verglichen werden unidirektionale Laminate mit Epoxidmatrix und einem Faservolumengehalt von rund 60 Prozent. Nur diese Bezugsgröße macht Kennwerte aus Datenblättern vergleichbar. Gewebe oder Kurzfaserverstärkungen liefern niedrigere Werte, weil die Fasern dann nicht vollständig in Lastrichtung liegen.
GFK, CFK und AFK im Kennwertvergleich
GFK
- Dichte (g/cm³)
- 1,85–2,00
- Zugfestigkeit (MPa)
- 900–1.400
- E-Modul (GPa)
- 35–45
- Bruchdehnung (%)
- 2,0–3,0
- Preis 2024 (€/kg)
- 2–12
CFK
- Dichte (g/cm³)
- 1,50–1,60
- Zugfestigkeit (MPa)
- 1.500–2.500
- E-Modul (GPa)
- 130–180
- Bruchdehnung (%)
- 1,4–1,8
- Preis 2024 (€/kg)
- 18–120
AFK
- Dichte (g/cm³)
- 1,35–1,45
- Zugfestigkeit (MPa)
- 1.100–1.500
- E-Modul (GPa)
- 60–80
- Bruchdehnung (%)
- 2,5–4,0
- Preis 2024 (€/kg)
- 25–60
GFK (E-Glas/Epoxid)
- Dichte in g/cm³
- 1,85 bis 2,00
- Zugfestigkeit (UD) in MPa
- 900 bis 1.400
- E-Modul (UD) in GPa
- 35 bis 45
- Bruchdehnung in Prozent
- 2,0 bis 3,0
- Preis 2024 in Euro je kg, ohne MwSt.
- 2 bis 12
CFK (HS-Carbon/Epoxid)
- Dichte in g/cm³
- 1,50 bis 1,60
- Zugfestigkeit (UD) in MPa
- 1.500 bis 2.500
- E-Modul (UD) in GPa
- 130 bis 180
- Bruchdehnung in Prozent
- 1,4 bis 1,8
- Preis 2024 in Euro je kg, ohne MwSt.
- 18 bis 120
AFK (Aramid/Epoxid)
- Dichte in g/cm³
- 1,35 bis 1,45
- Zugfestigkeit (UD) in MPa
- 1.100 bis 1.500
- E-Modul (UD) in GPa
- 60 bis 80
- Bruchdehnung in Prozent
- 2,5 bis 4,0
- Preis 2024 in Euro je kg, ohne MwSt.
- 25 bis 60
Die Kennwerte gelten nur für die geprüfte Faser-Matrix-Kombination mit definiertem Faservolumengehalt. Schon ein anderes Harz verschiebt Bruchdehnung und Ermüdungsverhalten. Wie Faser und Matrix zusammenspielen, beschreibt der Leitfaden für die Praxis.
Datenblätter lassen sich nur bei gleicher Prüfgrundlage vergleichen. Prüfgrundlage für Zugversuche ist die Normenreihe DIN EN ISO 527, Teil 4 für orthotrope Faserverbundwerkstoffe, Teil 5 für unidirektionale Laminate. Der Normenausschuss Kunststoffe (FNK) beim DIN betreut diese Prüfverfahren. Probengeometrie, Prüfgeschwindigkeit und Konditionierung verschieben die Ergebnisse.
Fläche, Stückzahl, Budget: GFK
Wo große Flächen, hohe Stückzahlen und begrenztes Budget zählen, bleibt GFK erste Wahl. GFK kostet am wenigsten, wiegt aber am meisten. Der Preisvorteil der Glasfaser bleibt auch bei höherem Gewicht bestehen, deshalb ist GFK bei großen Bauteilen und mittleren Anforderungen wirtschaftlich.
Wie viel der Unterschied in Euro ausmacht, zeigt eine Platte mit einem Quadratmeter Fläche und zwei Millimetern Dicke, Volumen 2.000 cm³, alle Preise ohne MwSt.: GFK mit 1,9 g/cm³ wiegt 3,8 Kilogramm und kostet bei 15 Euro je Kilogramm Halbzeug 57 Euro.
CFK mit 1,55 g/cm³ wiegt 3,1 Kilogramm und kostet bei 80 Euro je Kilogramm 248 Euro. AFK mit 1,4 g/cm³ wiegt 2,8 Kilogramm und kostet bei 45 Euro je Kilogramm 126 Euro. Das Material für die CFK-Variante ist damit etwa viermal so teuer wie das für GFK, bei 18 Prozent weniger Masse.
Hinzu kommen Verarbeitungskosten, die bei CFK wegen langer Zyklen und Autoklavzeiten am höchsten ausfallen. Die Preise der Halbzeuge im Einzelnen stehen im Preisvergleich der drei Werkstoffe.
Schlag, Schutz, Dämpfung: AFK
AFK ist der leichteste der drei Werkstoffe und schlagzäher als CFK, jedoch druck- und feuchteempfindlich. Aramidfasern knicken unter Druck seitlich aus. In druckbeanspruchten Bereichen wird deshalb oft mit Glas- oder Carbonlagen kombiniert.
Aramid dämpft stark und leitet keinen Strom. Das passt zu Helmen, ballistischen Schutzwesten, Schläuchen, Reifenkarkassen und Sportbögen, wo Schlag und Dämpfung die Auslegung bestimmen und Druck keine Hauptlast ist.
Mischbauweise: Glas außen, Carbon innen
Mischbauweisen sind üblich: Glaslagen außen erhöhen die Schlagzähigkeit, Carbonlagen innen tragen die Last. Solche Hybride kosten weniger als reines CFK und halten Impact besser stand. Wo die Auswahl schiefgehen kann, behandeln die fünf Fehler bei der Materialwahl.
Ein Vergleich über Werkstoffgruppen hinweg hat Grenzen. Wer zwischen Metall, Kunststoff und Keramik entscheidet, findet die Kriterien im Vergleich der Werkstoffklassen an anderer Stelle.
Typische Bauteile je Werkstoff
- GFKRotorblätter von Windenergieanlagen, Bootsrümpfe, Rohrleitungen, Behälter, Karosserieaußenteile.
- CFKPrimärstrukturen im Flugzeugbau, Monocoques im Motorsport, Fahrradrahmen, Druckbehälter für Wasserstoff.
- AFKHelme, ballistische Schutzwesten, Schläuche, Reifenkarkassen, Sportbögen.
Für Fahrzeuge zeigt der Beitrag zu Verbundwerkstoffen im deutschen Automobilbau, wie die Auswahl dort abläuft. Im Bauwesen gewinnen Faserverbundwerkstoffe bei Verstärkung und Instandsetzung von Tragwerken an Bedeutung.
Die Europäische Umweltagentur beschreibt den Gebäudesektor als einen der größten Materialverbraucher, was langlebige und leichte Konstruktionen begünstigt.
Häufige Fragen
Welcher Faserverbundwerkstoff hat die höchste spezifische Festigkeit?
CFK. Bei rund 1,55 g/cm³ Dichte und 1.500 bis 2.500 MPa Zugfestigkeit erreicht es Werte, die GFK und AFK nicht erreichen.
Warum ist die Druckfestigkeit bei AFK gering?
Aramidfasern knicken unter Druck seitlich aus. In druckbeanspruchten Bereichen wird deshalb oft mit Glas- oder Carbonlagen kombiniert.
Ist GFK trotz niedrigerer Kennwerte wirtschaftlich?
Ja, bei großen Bauteilen und mittleren Anforderungen. Der Preisvorteil der Glasfaser bleibt auch bei höherem Gewicht bestehen.
Welche Norm gilt für den Zugversuch?
DIN EN ISO 527-4 für orthotrope Laminate und DIN EN ISO 527-5 für unidirektionale Laminate, die Grundsätze stehen in Teil 1.
