Verbundwerkstoffe Auswahl Leitfaden für die Praxis

Das Wichtigste auf einen Blick

• Die Faser trägt die Zuglast, die Matrix hält die Fasern in Position und schützt sie vor Feuchte und Chemikalien.
• Glasfaser ist der Kostenführer, Kohlenstofffaser der Steifigkeitsführer, Aramidfaser der Spezialist für Schlagbelastung.
• Vergleichen Sie nur Laminatkennwerte mit gleichem Faser-Volumenanteil, nie Faserwerte mit Bauteilwerten.
• DIN EN ISO 527 regelt den Zugversuch, DIN 65583 den Glasübergangsbereich faserverstärkter Kunststoffe.
• Kalkulieren Sie Materialkosten pro Kilogramm fertiges Bauteil, weil Faseranteil und Verschnitt stark wirken.

Faserarten: Glas, Kohlenstoff, Aramid

Die Faser trägt im Verbund die Zuglast. Ihre Festigkeit und ihre Steifigkeit setzen die Obergrenze, die ein Laminat erreichen kann. Die Matrix hält die Fasern in Position und leitet Kräfte zwischen ihnen weiter. Wer Verbundwerkstoffe auswählt, legt deshalb zuerst die Faser fest.

Glasfaser: der wirtschaftliche Standard

E-Glas ist der mengenmäßig wichtigste Verstärkungswerkstoff. Die Faser erreicht Zugfestigkeiten von 2400 bis 3400 MPa und einen E-Modul von 72 bis 76 GPa bei einer Dichte von 2,54 g/cm³. Die Bruchdehnung liegt bei 4,5 bis 5,0 Prozent und passt damit gut zu Epoxid und Polyester.

Der Vorteil liegt im Preis und in der elektrischen Isolierwirkung. Nachteilig sind das höhere Gewicht und die geringe spezifische Steifigkeit. S-Glas und R-Glas bieten Zugfestigkeiten bis etwa 4700 MPa, kosten aber ein Mehrfaches.

Kohlenstofffaser: Steifigkeit hat ihren Preis

Kohlenstofffasern werden nach ihrem E-Modul eingeteilt. Standardtypen liefern 3000 bis 4500 MPa Zugfestigkeit bei 230 bis 240 GPa E-Modul. Hochmodulige Typen erreichen 350 bis 600 GPa, verlieren dabei aber Festigkeit und Bruchdehnung.

Die Dichte liegt bei 1,76 bis 1,80 g/cm³, also rund 30 Prozent unter Glas. Kohlenstofffasern leiten Strom und können in Kontakt mit Aluminium Kontaktkorrosion auslösen. Die Bruchdehnung von 1,5 bis 2,0 Prozent verlangt eine sorgfältige Auslegung.

Aramidfaser: Schlag und Dämpfung

Aramidfasern verbinden niedrige Dichte mit hoher Schlagzähigkeit. Typische Werte sind 2900 bis 3400 MPa Zugfestigkeit und 60 bis 130 GPa E-Modul bei 1,44 g/cm³ Dichte. Sie dämpfen Aufprallenergie und sitzen deshalb in Helmschalen, Bootsrümpfen und Schutzwesten.

Unter Druck und bei Feuchte sind Aramidfasern schwach. Sie nehmen Wasser auf, reagieren empfindlich auf UV-Licht und lassen sich nur mit speziellen Werkzeugen schneiden. Meist kombiniert man sie mit Glas- oder Kohlenstofflagen.

Faser	Zugfestigkeit	E-Modul	Dichte	Richtpreis 2024
E-Glas	2400 bis 3400 MPa	72 bis 76 GPa	2,54 g/cm³	1,50 bis 3,00 €/kg
S-Glas	bis 4700 MPa	86 bis 90 GPa	2,49 g/cm³	8,00 bis 20,00 €/kg
Kohlenstoff HT	3000 bis 4500 MPa	230 bis 240 GPa	1,78 g/cm³	18,00 bis 30,00 €/kg
Kohlenstoff HM	2000 bis 3500 MPa	350 bis 600 GPa	1,85 g/cm³	ab 40,00 €/kg
Aramid	2900 bis 3400 MPa	60 bis 130 GPa	1,44 g/cm³	30,00 bis 60,00 €/kg

Alle Preise gelten für Roving oder Garn in handelsüblichen Mengen, ohne Mehrwertsteuer. Gewebe und Gelege kosten ein Mehrfaches, weil Weberei und Konfektion dazukommen.

Matrixwerkstoffe: Epoxid, Polyester, PEEK

Die Matrix überträgt Lasten zwischen den Fasern und schützt sie vor Feuchte und Chemikalien. Sie bestimmt die Einsatztemperatur, das Brandverhalten und zu einem großen Teil die Verarbeitung. Duroplaste härten aus und lassen sich danach nicht umformen, Thermoplaste bleiben schmelzbar.

Epoxidharz

Epoxid ist der Standard für hochwertige Laminate. Die Glasübergangstemperatur liegt bei 120 bis 180 °C, die Zugfestigkeit bei 60 bis 85 MPa und der E-Modul bei 3,0 bis 3,5 GPa. Der Preis liegt 2024 bei etwa 8,00 bis 15,00 Euro pro Kilogramm ohne MwSt.

Epoxid schrumpft beim Aushärten nur um 1 bis 3 Prozent, haftet gut auf Glas und Kohlenstoff und ist ermüdungsbeständig. Für Außenanwendungen braucht die Matrix UV-Schutz, weil die Oberfläche unter Sonnenlicht versprödet.

Polyester und Vinylester

Ungesättigtes Polyesterharz kostet 2,00 bis 4,00 Euro pro Kilogramm. Es härtet bei Raumtemperatur aus und eignet sich für Handlaminat, Faserspritzen und Schleuderverfahren. Die Glasübergangstemperatur liegt bei 60 bis 100 °C, der Schrumpf bei 5 bis 8 Prozent. Styrolemissionen erfordern Absaugung.

Vinylesterharz liegt preislich zwischen Polyester und Epoxid, etwa 4,00 bis 8,00 Euro pro Kilogramm. Es ist deutlich hydrolysebeständiger und wird deshalb für Rohre, Tanks und Bootsrümpfe gewählt.

Hochtemperatur-Thermoplaste

Thermoplastische Matrices lassen sich umformen und schweißen. Polypropylen und Polyamid decken einfache Anwendungen ab, PPS und PEEK die anspruchsvollen. PEEK hat eine Glasübergangstemperatur von 143 °C und schmilzt bei 343 °C, die Dauergebrauchstemperatur liegt bei etwa 250 °C.

Unverstärktes PEEK kostet 80,00 bis 120,00 Euro pro Kilogramm. Prepregs mit Kohlenstofffaser liegen deutlich höher. Dafür sind sie schwer entflammbar, beständig gegen viele Lösungsmittel und lassen sich im Werkstoffkreislauf zurückführen.

Matrix	Glasübergang	Richtpreis 2024	Typische Anwendung
Polyester	60 bis 100 °C	2,00 bis 4,00 €/kg	Boote, Behälter, Sanitär
Vinylester	90 bis 120 °C	4,00 bis 8,00 €/kg	Rohre, Tanks, Marine
Epoxid	120 bis 180 °C	8,00 bis 15,00 €/kg	Luftfahrt, Windkraft, Prepreg
Phenolharz	150 bis 200 °C	6,00 bis 12,00 €/kg	Brandschutz, Innenräume
PEEK	143 °C	80,00 bis 120,00 €/kg	Medizintechnik, Luftfahrt

Halbzeuge und Fertigungsverfahren

Zwischen Faser und Bauteil liegt das Halbzeug. Roving ist ein ungedrehtes Faserbündel und wird für Wickeln, Pultrusion und Flechten genutzt. Gewebe liefert Faserorientierungen in zwei Richtungen, Gelege arbeiten mit gestreckten Faserlagen ohne Verwebung. Vliese dienen der Oberflächenoptik und der Kurzfaserverstärkung.

Prepregs sind vorimprägnierte Faserlagen mit definiertem Harzanteil. Sie erfordern Kühllagerung und Aushärtung im Autoklaven oder in der Presse, liefern dafür aber gleichmäßige Faser-Volumenanteile. SMC und BMC sind Pressmassen für mittlere Serien, GMT steht für thermoplastische Großserienteile.

Das Verfahren bestimmt die erreichbare Faserorientierung. Handlaminat und Harzinfusion ergeben Faser-Volumenanteile von 40 bis 55 Prozent, RTM von 50 bis 60 Prozent, Prepregtechnik 55 bis 65 Prozent. Je höher der Anteil, desto steifer und fester wird das Laminat.

Kennwerte richtig lesen

Ein Faserwert beschreibt eine einzelne Faser unter Zug in Faserrichtung. Im Laminat liegt die Festigkeit deutlich niedriger, weil Faseranteil, Faserwinkel, Harzsteifigkeit und Poren zusammenwirken. Welche Geltung eine Norm hat und wie sie entsteht, erklärt das DIN in seiner Übersicht über Normen und Standards.

Ein unidirektionales Glasfaser-Epoxid-Laminat mit 60 Volumenprozent Fasern erreicht in Faserrichtung 1000 bis 1400 MPa Zugfestigkeit und 40 bis 45 GPa E-Modul. Mit Kohlenstofffaser liegen die Werte bei 1400 bis 1800 MPa und 135 bis 145 GPa.

Quer zur Faser trägt nur die Matrix. Dort sinkt die Zugfestigkeit auf 30 bis 60 MPa. Ein Bauteil ist also nie so fest wie seine Fasern, sondern so fest wie sein schwächster Lagenwinkel.

Für schwingende Beanspruchung zählt die Ermüdungsfestigkeit. Laminate mit Kohlenstofffaser halten deutlich mehr Lastwechsel aus als solche mit Glasfaser. Feuchte senkt die Glasübergangstemperatur von Epoxid um 20 bis 30 Kelvin, was bei Außenbauteilen in die Auslegung gehört.

Nennen Sie in jeder Werkstoffangabe den Faser-Volumenanteil, das Harzsystem, den Lagenaufbau und die Prüfnorm. Ein Kennwert ohne Faser-Volumenanteil lässt sich nicht vergleichen, weil Festigkeit und Steifigkeit fast linear mit dem Faseranteil steigen.

Prüfnormen für die Werkstoffauswahl

Die Prüfung folgt in Deutschland überwiegend der Normenreihe DIN EN ISO 527. Teil 1 beschreibt die allgemeinen Grundsätze, Teil 4 gilt für isotrope und orthotrope Faserverbundwerkstoffe, Teil 5 für unidirektionale Laminate.

Der Zugversuch wird mit einer Prüfgeschwindigkeit von 1 mm/min bis zum E-Modul gefahren, danach mit 5 oder 10 mm/min bis zum Bruch. Prüfkörper werden aus Platten oder Bauteilen entnommen, gefräst und vor der Prüfung konditioniert. Nur so sind Werte aus verschiedenen Laboren vergleichbar.

DIN 65583 beschreibt die Bestimmung des Glasübergangsbereichs an faserverstärkten Kunststoffen. Der Wert zeigt, ab welcher Temperatur die Matrix erweicht und ihre Lastübertragung verliert. Legen Sie die Dauergebrauchstemperatur deutlich darunter, bei Epoxid häufig mit 30 bis 40 Kelvin Abstand.

Mit der Normungsarbeit zu Kunststoffen und ihren Prüfverfahren befasst sich der Normenausschuss Kunststoffe (FNK). Dort entstehen die Prüfvorschriften, nach denen Faserverbunde in Deutschland bewertet werden.

Ergänzend gelten DIN EN ISO 14125 für die Biegeprüfung, DIN EN ISO 14126 für die Druckprüfung und DIN EN ISO 62 für die Wasseraufnahme. Für Werkstoffe, die noch keine Norm abdeckt, etwa thermoplastische Tapes, eignen sich Vornormen als Zwischenlösung.

Auswahl in fünf Schritten

1. Anforderungen sammeln. Notieren Sie Lastkollektiv, Temperaturbereich, Feuchte, UV-Belastung, Medien, Brandschutzanforderung und elektrische Leitfähigkeit. Prüfen Sie dann, welche dieser Größen die Auslegung wirklich begrenzt.
2. Faserfamilie festlegen. Glas für Kosten und Isolierung, Kohlenstoff für Steifigkeit und Ermüdung, Aramid für Schlag und Dämpfung. Bei Mischbauweisen legen Sie die Lagenfolge gleich mit fest.
3. Matrixsystem festlegen. Entscheiden Sie anhand von Einsatztemperatur, Chemikalien, Brandverhalten und Verarbeitungsverfahren zwischen Polyester, Vinylester, Epoxid, Phenolharz oder PEEK.
4. Halbzeug und Verfahren wählen. Handlaminat, Harzinfusion, RTM, Prepreg im Autoklaven, Wickeln, Tapelegen oder Spritzgießen mit Kurzfasern. Das Verfahren bestimmt Faseranteil, Taktzeit und Werkzeugkosten.
5. Prüfplan und Kalkulation aufstellen. Definieren Sie Kennwerte, Prüfnormen, Probenentnahme und Dokumentation. Rechnen Sie die Materialkosten pro Bauteil, nicht pro Kilogramm Halbzeug.

Wo eine genormte Prüfung noch fehlt, lässt sich eine DIN SPEC als Vornorm nutzen. Sie hält ein Verfahren fest, bis die internationale Normung nachzieht.

Kosten: Richtpreise und Beispielrechnung

Preise für Faserhalbzeuge schwanken 2024 stark, weil Energie, Vorstufen und Abnahmemenge wirken. Als Orientierung ohne Mehrwertsteuer gelten für Roving: E-Glas 1,50 bis 3,00 Euro pro Kilogramm, Kohlenstofffaser HT 18,00 bis 30,00 Euro pro Kilogramm. Gewebe kostet ein Mehrfaches, Glasfasergewebe 4,00 bis 8,00 Euro, Kohlenstofffasergewebe 40,00 bis 80,00 Euro pro Kilogramm.

Bei Epoxidharz liegen die Preise 2024 zwischen 8,00 und 15,00 Euro pro Kilogramm, bei Polyester zwischen 2,00 und 4,00 Euro, bei Vinylester zwischen 4,00 und 8,00 Euro. PEEK kostet 80,00 bis 120,00 Euro pro Kilogramm als Granulat. Aramid-Gewebe liegt bei 30,00 bis 60,00 Euro pro Kilogramm.

Die Fertigungskosten können die Materialkosten um ein Mehrfaches übersteigen. Autoklavverfahren mit Prepreg sind am teuersten, Infusion und RTM deutlich günstiger. Ein hoher Faseranteil senkt dagegen die Kosten pro Kilogramm Bauteil, weil weniger Harz nötig ist.

Beispielrechnung: Materialkosten pro Kilogramm Bauteil

Angenommen wird ein Bauteil mit 2,0 kg Masse, gefertigt im Handlaminat aus Kohlenstofffasergewebe und Epoxidharz. Der Fasermassenanteil beträgt 65 Prozent, das sind 1,3 kg Faser und 0,7 kg Harz. Alle Preise gelten ohne MwSt.

Faser: 1,3 kg mal 45,00 Euro pro Kilogramm ergibt 58,50 Euro. Harz: 0,7 kg mal 12,00 Euro pro Kilogramm ergibt 8,40 Euro. Zusammen sind das 66,90 Euro. Mit 15 Prozent Verschnitt steigen die Materialkosten auf 76,94 Euro, also 38,47 Euro pro Kilogramm Bauteil.

Mit Glasfasergewebe zu 6,00 Euro pro Kilogramm sinken die Faserkosten auf 7,80 Euro. Die Materialkosten liegen dann bei 16,20 Euro, mit Verschnitt bei 18,63 Euro je Bauteil oder 9,32 Euro pro Kilogramm. Der Unterschied zeigt, warum Kohlenstoff nur dort sinnvoll ist, wo gesparte Masse einen messbaren Nutzen bringt.

Anwendungen und ihre Werkstoffmuster

Rotorblätter für Windkraftanlagen bestehen überwiegend aus Glasfaser-Epoxid. Große Blattlängen lassen sich nur mit Infusionsverfahren und gerichteter Faserarchitektur wirtschaftlich fertigen. Kohlenstoff kommt in Gurten zum Einsatz, wo Steifigkeit die Auslegung bestimmt.

Zivile Großflugzeuge wie die Boeing 787 und der Airbus A350 nutzen Kohlenstofffaser-Epoxid für rund die Hälfte ihrer Strukturmasse. Dort zählen spezifische Steifigkeit und Ermüdungsfestigkeit mehr als der Materialpreis.

Im Fahrzeugbau fertigte BMW mit dem i3 ab 2013 eine CFK-Passagierzelle in Serie. Heute dominieren Mischbauweisen, thermoplastische Tapes und RTM-Verfahren für Kleinserien, weil sie sich schneller takten lassen.

Hybridbauweisen kombinieren Glas und Kohlenstoff in einem Laminat. Die Glaslagen liegen außen und schützen vor Schlag, die Kohlenstofflagen innen tragen die Biegezugspannung. So sinkt der Preis, ohne dass die Steifigkeit stark fällt.

Sportgeräte wie Fahrradrahmen, Ski und Ruderboote arbeiten mit gerichteten Kohlenstofflagen in unterschiedlichen Winkeln. Bootsrümpfe und Tanks setzen dagegen auf Glasfaser in Polyester oder Vinylester, weil Korrosionsbeständigkeit und Preis wichtiger sind als Masse. Im Bauwesen verstärken CFK-Lamellen Brücken und Decken, in der Medizintechnik liefern CFK und PEEK röntgentransparente, sterilisierbare Komponenten.

Häufige Fragen

Wann rechnet sich Glasfaser statt Kohlenstofffaser?

Wenn Steifigkeit nicht der begrenzende Faktor ist. Glasfaser kostet als Roving 1,50 bis 3,00 Euro pro Kilogramm, Kohlenstofffaser 18,00 bis 30,00 Euro. Sobald gesparte Masse einen direkten Nutzen bringt, etwa im Rotorblatt oder im Flugzeug, kippt die Rechnung zugunsten von Kohlenstoff.

Warum ist der E-Modul im Laminat kleiner als in der Faser?

Weil nur die Fasern in Zugrichtung tragen und ihr Anteil im Laminat begrenzt ist. Bei 60 Volumenprozent sinkt der E-Modul von 240 GPa auf 135 bis 145 GPa im Verbund. Quer zur Faser trägt allein die Matrix mit 3,0 bis 3,5 GPa.

Welche Norm gilt für den Zugversuch an Verbundwerkstoffen?

DIN EN ISO 527-1 nennt die Grundsätze, Teil 4 gilt für isotrope und orthotrope Laminate, Teil 5 für unidirektionale Laminate. Daneben regelt DIN 65583 den Glasübergangsbereich. Wie Normen entstehen und welche Arten es gibt, beschreibt das DIN in seiner Übersicht zu DIN-Normen.

Was sagt der Glasübergang über die Einsatztemperatur?

Er markiert den Übergang von hart zu weich. Oberhalb sinkt die Lastübertragung der Matrix deutlich. Auslegen sollten Sie mit 30 bis 40 Kelvin Abstand, damit Steifigkeit und Kriechverhalten im Betrieb erhalten bleiben.

Wann lohnt sich eine thermoplastische Matrix?

Wenn Umformbarkeit, Schweißbarkeit oder Recycling gefordert sind. PEEK hält dauerhaft etwa 250 °C aus und ist schwer entflammbar, kostet aber 80,00 bis 120,00 Euro pro Kilogramm. Für Serien mit kurzen Taktzeiten sind PP, PA und PPS wirtschaftlicher.