Textile Halbzeuge Faltenfreie Textilstruktur durch Fasergestricke

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Die Fachpresse für Verbundwerkstoffe, Leichtbaukonstruktion, Sicherheitsmaterialien und Design ist erfüllt von einem Begriff, der entscheidend den Weg für die Entwicklungen in jede erdenkliche Richtung vorgibt: Carbon. Die industriell hergestellte Kohlenstofffaser ist der Ausgangsstoff für unterschiedliche textile Verarbeitungsverfahren. Sie hat einen Durchmesser von 5 bis 7 µm und wird in Bündeln zu 1000 bis 24.000 Einzelfasern (Filamenten) zusammengefasst.

Materialbasis für diese Fasern sind graphithaltige Werkstoffe, aus denen im Pyrolyseverfahren graphitartiger Kohlenstoff entsteht. Während des Pyrolysevorgangs werden die späteren Carbonfasereigenschaften „eingestellt“: Sogenannte isotrope Carbonfasern haben eine niedrige Festigkeit. Sie spielen deshalb in der Praxis als Verstärkungsfasern höchstens eine untergeordnete Rolle. Anisotrope Fasern haben dagegen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit, gepaart mit einer niedrigen Bruchdehnung. Im Verbund mit einem niedrigen volumenspezifischen Gewicht sind sie die wahren „Runner“ im Leichtbau.

Eigenschaftsprofil der Textilien hängt von den Faserbindungen ab

Unumstrittener Favorit bei Carbonfasertextilien ist das Gewebe. Aus zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Fadensystemen (Kettfaden in Längsrichtung, Schussfaden in Querrichtung) entstehen relativ dicht gewobene Flächengebilde. Verschiedene Bindungsarten ermöglichen, dass die Eigenschaften des fertigen Gewebes in Bezug auf das Aussehen, die Schiebekraft und die Drapierbarkeit stark beeinflusst werden können. Diese Abhängigkeit besteht auch zwischen den Bindungen und den mechanischen Eigenschaften wie der Zugfestigkeit und der Steifigkeit.

Eine weitere Textilstruktur ist das Gewirke. Es entsteht durch Maschenbildung auf einer Wirkmaschine, wobei jede Faser (Faden) in Längsrichtung (senkrecht) verläuft und mit der benachbarten Faser ein Maschenstäbchen bildet. Der Vorteil gewirkter Stoffe ist die hohe Elastizität. Sie geht jedoch zu Lasten der Formstabilität und Festigkeit. So eignen sich gewirkte Stoffe grundsätzlich für andere Anwendungen als ein Gewebe oder ein Gelege, das unter anderem zur Verstärkung in Faserverbundkunststoffen (FVK) eingesetzt wird.

Ein Gelege hat eine spezielle textile Flächenstruktur. Es besteht aus mehreren Lagen parallel angeordneter Faserrovings (Bündel). Die einzelnen Lagen unterscheiden sich in der Faserausrichtung. Man unterscheidet dabei zwischen biaxialem und multiaxialem Gelege. Im Gegensatz zu einem Gewebe ist ein Gelege wesentlich besser drapierbar und hat im Verbund bessere mechanische Eigenschaften. Die Gründe dafür sind, dass die Fasern in gestreckter Form vorliegen und somit lastoptimiert an der Bauteilgeometrie ausgerichtet werden können. Die einzelnen Lagen sind zunächst nicht untereinander verbunden. Zur besseren Handhabung werden sie allerdings noch im Produktionsprozess miteinander verbunden.

Elastizität von Fasergestricken ist höher als bei Gewirken

Darüber hinaus gibt es eine weitere textile Variante aus Kohlenstofffasern, die gegenwärtig noch ein – zum Teil eifersüchtig gehüteter – Insidertipp ist: das Kohlenstofffasergestrick, das sich schon in der Herstellung von den genannten flächigen textilen Halbzeugen unterscheiden. Seine Eigenschaften liegen näher an der beschriebenen Variante „Gewirk“ als an den anderen Ausführungen. Der Fadenverlauf beim Stricken ist horizontal, es wird eine Masche neben der anderen erzeugt. Dadurch ist die Elastizität des Gestricks noch höher als die Elastizität des Gewirks.

Die Verarbeitung einer Kohlenstofffaser zu einem technisch nutzvollen Gestrick ist nach dem heutigen Stand der Technik eine Kunst, die weltweit nur wenige, wenn nicht sogar nur eine Strickerei beherrscht: die Buck GmbH & Co. KG, Bondorf bei Stuttgart, für die aufgrund der beiden Geschäftsbereiche technische Stickerei und Maschinenbau trotz kundenspezifischer Produkte eine hohe Fertigungstiefe kennzeichnend ist. Sie entwickelte eine Stricktechnik, die spröde Fasern aus Kohlenstoff, Glas, Aramid und Keramik ohne Einbringung mechanischer Spannungen verstricken kann.

Anwendungsmöglichkeiten für diese Gestricke gibt es überall dort, wo flächige textile Halbzeuge tiefziehfähig sein müssen oder FVK-Bauteile eine Stoßdämpferwirkung ohne Splittern ermöglichen sollen. Weit oben auf der Liste potenzieller Anwendungsmärkte für Gestricke steht beispielsweise der Automobilbau.

Tiefziehfähigkeit erweitert Verarbeitungsspektrum

Im Gegensatz zu den gängigen Textilhalbzeugen aus Carbonfasern verfügt das Gestrick über eine Eigenschaft, die unschlagbar ist und eine Anwendung so attraktiv macht: Das Gestrick passt sich faltenfrei an jede Geometrie an. Ausschlaggebend dafür ist die Fadenreserve in den Maschen. Sie ermöglicht, dass zur Weiterverarbeitung flächiger Faserhalbzeuge ganz andere Verfahren geeignet sind. So lassen sich mit Carbonfasergestricken versehene Textilien problemlos tiefziehen. Werden Gestricke mit anderen Textilien kombiniert, kann man sich Materialschnitte, Faserunterbrechungen und Schwachstellen am Bauteil ersparen.

Allerdings darf ein Carbonfasergestrick auf keinen Fall als Konkurrenz zu anderen Textilhalbzeugen angesehen werden. Der vorteilhafte Effekt der Fadenreserve kommt bei der Herstellung von FVK-Bauteilen ausschließlich in Kombination mit den Eigenschaften anderer Textilien zum Tragen – resultierend aus unterschiedlichen Faserverarbeitungsverfahren. Die Nutzung von Synergien steht bei der Anwendung von Gestricken eindeutig im Vordergrund.

Gewebe wird ergänzt und nicht verdrängt

Die sorgsam entwickelten Carbonfasergestricke sind kein Ersatz für Verstärkungsgewebe oder multiaxiale Gelege in FVK-Bauteilen, sondern eine Ergänzung bei Anforderungen, bei denen Flexibilität und Drapierfähigkeit wichtiger sind als eine hohe Zugbelastung. Die gestrickten CFK-Textilien sind im Gegensatz zu Geweben leicht drapierbar und bieten eine enorme Tiefziehfähigkeit. Bei etablierten Faserverbundtechniken liegen die Vorteile von Carbonfasergestricken darin, dass bereits markterprobte Materialaufbauten mit unterschiedlichen, teilweise konträr erscheinenden Anforderungen noch einfacher, sicherer und besser verarbeitet werden. Ziel ist es, die ureigensten Eigenschaften der Kohlenstofffaser noch konsequenter zu nutzen.

Thermoplastische FVK-Bauteile sind nachträglich verformbar

Aufgrund der faltenfreien Drapierbarkeit passen sich Carbonfasergestricke komplexen Bauteilformen flexibel an, zum Beispiel den Formen von 3D-Bauteilen, ohne dass Einschnitte und damit Faserunterbrechungen notwendig sind. Werden thermoplastische Kunststoffe als Matrixwerkstoff verwendet, lassen sich FVK-Bauteile aufgrund der Fadenreserve in den Maschen auch nachträglich verformen.

Die Materialdichte lässt sich über den Faservolumenanteil individuell einstellen. So kann ein Gestrick wahlweise mit geringem Faservolumen und hoher Drapierbarkeit oder mit hoher Materialdichte und geringerer Drapierbarkeit hergestellt werden. Wegen der quasi multidirektionalen Faserausrichtung nimmt das Gestrick auf das Bauteil einwirkende Belastungen wie Stöße hervorragend auf. Das Gestrick verteilt die Belastung über das gesamte Bauteil. Dieses positive „Crashverhalten“ der äußerst leichten Gestrick-Composites birgt große Chancen für den Einsatz im Fahrzeugbau.

Orthopädische Produkte mit hohem Tragekomfort

Die potenziellen Anwendungen für Carbonfasergestricke sind äußerst vielseitig. Außer den bereits erläuterten Synergieeffekten bei Integration in andere Fasertextilien steht das Carbonfasergestrick vor einer weiteren Karriere als Singlekomponente in der Verbundstofftechnik der Zukunft. So werden bereits heute im Orthopädiebereich thermoplastische Composites mit Carbonfasergestricken von Buck aufgrund ihrer hervorragenden Nachverformbarkeit erfolgreich eingesetzt.

Verarbeitet zu Orthesen bieten Carbonfasergestricke nicht nur eine enorme Anpassungsfähigkeit, sondern können auch aufgrund der ausgezeichneten Nachverformbarkeit den individuellen Bedürfnissen des Patienten angepasst werden. Das ermöglicht einen extrem hohen Tragekomfort, obwohl die Produkte um ein Vielfaches strapazierfähiger als herkömmliche Orthesen sind. Leicht, passgenau und strapazierfähig – genau so, wie man sich ein orthopädisches Hilfsmittel wünscht.

Ein weiterer vielversprechender Anwendungsbereich ist der Sport. Bei nahezu jeder größeren sportlichen Veranstaltung sieht man Spieler und Sportler, die zur Vermeidung von Gesichtsverletzungen mit Gesichtsmasken aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) auflaufen. Der Gesichtsschutz wird zu einem interessanten Betätigungsfeld. Die enorme Fähigkeit des Carbonfasergestricks, sich an unterschiedliche Konturen anzupassen, auch an die des menschlichen Gesichts, prädestiniert dieses Textil für Produkte, die Sportlern eine passgenaue Protektion bieten.

Individuelles Waschbeckendesign erhält Materialica-Award 2012

Und „last but not least“: Carbonfasergestricke sind „Hingucker“, die jedem Designer und Gestalter sofort ins Auge fallen. Durch die „lebendige“ Komposition des Grundmaterials aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) mit individuell drapiertem Carbonfasergestrick können beispielsweise tiefgezogene Geometrien entstehen, die jeweils ein unverwechselbares Unikat entstehen lassen und ihren Reiz nicht nur aufgrund ihrer technischen Eigenschaften entfalten, sondern auch mit einer sehr ansprechenden Optik, die das Herz höher schlagen lässt.

Auf der diesjährigen Fachmesse für materialgetriebene Produktinnovationen im Zulieferbereich, der Materialica 2012 vom 23. bis 25. Oktober in München, hat das Designerwaschbecken „Knitted in Black“ von Buck Design in der Kategroie Material den Materialica-Award 2012 in Gold erhalten.

* Barbara Büchner ist kaufmännische Leiterin bei der Buck GmbH & Co. KG in 71149 Bondorf

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