Kleben Belastbarkeit von Klebeverbindungen bei GFK-Teilen hängt von der Kraftrichtung ab

Autor / Redakteur: Manfred Rasche / Josef-Martin Kraus

Klebverbindungen sind belastbarer als Niet- und Schraubverbindungen. Allerdings setzen Mehrkomponentenwerkstoffe der Belastbarkeit Grenzen. So versagen Kunststoffteile mit Glasfasermatten- und -gewebeverstärkung, sobald es zu einer Belastung senkrecht zur Faserrichtung kommt. Deshalb darf die Kraftübertragung bei geklebten GFK-Teilen nur in bestimmten Richtungen erfolgen.

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Bild 1: Im Gegensatz zur Nietverbindung (a) erfolgt bei der Klebverbindung (b) die Kraftübertragung nicht punktförmig, sondern flächig [1].
Bild 1: Im Gegensatz zur Nietverbindung (a) erfolgt bei der Klebverbindung (b) die Kraftübertragung nicht punktförmig, sondern flächig [1].
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Faserverstärkung ermöglicht, die Tragfähigkeit von Kunststoffteilen beträchtlich zu steigern. Die Wirkung der Verstärkung hängt dabei von zahlreichen Faktoren ab: von der Art, Länge und Menge der Verstärkungsfasern, der Faserlage zur Belastungsrichtung, der Kunststoffmatrix, in der die Fasern eingebettet sind, sowie der Haftung zwischen Glasfasern und Matrix. Die Tragfähigkeit der Bauteile steigt mit der Menge, Zugfestigkeit und Länge der Fasern. Sie ist umso höher, je mehr Fasern in Kraftrichtung liegen.

Faserausrichtung im Bauteil ist technisch anspruchsvoll

Jedoch ist es nicht einfach, die Fasern so in ein Bauteil einzubringen, dass sie in Belastungsrichtung liegen. Faserbündel – sogenannte Rovings – lassen sich mit entsprechenden Techniken gerichtet einlegen. Diese Verarbeitung erfordert jedoch spezielle Maschinen und ist aufwändig.

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Die so hergestellten Teile sind zwar hoch belastbar, doch sehr teuer. Im Vergleich dazu ist die Herstellung von Kunststoffteilen mit Kurzglasfaserverstärkung im Spritzgießverfahren relativ einfach. Allerdings ist bei spritzgegossenen Kunststoffteilen die Wirkung der Kurzfasern gering.

Aufgrund der aufwändigen Verarbeitung von Rovings verwendet man zur Bauteilverstärkung vielfach Fasermatten oder – besser – Fasergewebe. Sie sind einfacher zu verarbeiten. Die Verstärkungswirkung ist allerdings deutlich kleiner als die der Rovings, weil weniger Fasern in Belastungsrichtung liegen. Sie ist aber immer noch deutlich höher als die einer Kurzglasfaserverstärkung.

Weil das Fasergewebe oder die Fasermatten relativ dünn sind, haben verstärkte Bauteile meistens einen mehrlagigen Aufbau. In der Regel wird mit einer Matte nicht die notwendige Dicke erreicht. Bei derartigen Teilen fehlt somit zwangsläufig eine Faserverstärkung in Dickenrichtung. Dies kann sich bei gewissen mechanischen Belastungen negativ auswirken.

Kleben statt Nieten erhöht die Belastbarkeit

Faserverstärkte Werkstoffe haben eine geringe Bruchdehnung und eine hohe Kerbempfindlichkeit. Zum Fügen dieser Werkstoffe eignet sich daher besonders gut das Kleben. Bei dieser Verbindungstechnik werden die Kräfte – im Gegensatz zum Schrauben und Nieten – nicht punktförmig, sondern flächig ins Bauteil geleitet (Bild 1). Beim Nieten leiten die Spannungsspitzen an den Lochrändern den Bruch der Verbindungen ein. Aufgrund der gleichmäßigeren Spannungsverteilung beim Kleben lassen sich somit höhere mechanische Belastungen erreichen [1].

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