Composite-Know-how Faser-Gedanken – sind Carbonfaser-Komponenten immer O.K.?

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Exel Composites will jedem, der faserverstärkte Komponenten herstellt oder einsetzen will, hier erklären, dass man mit kühlem Kopf an die Faserwahl gehen sollte...

Man würde einen Bonsaibaum nicht mit einer Motorsäge beschneiden, auch wenn es vielleicht unterhaltsam wäre, dabei zuzusehen. Dies mag offensichtlich erscheinen, aber es gibt viele Situationen, in denen die Auswahl des richtigen Werkzeugs ein wichtiger Faktor für den Erfolg ist. In der Verbundwerkstoffbranche verlangen Kunden oft Carbonfaser, auch wenn Glasfaser für ihre Anforderungen ein besser geeignetes Hochleistungsmaterial ist. Kim Sjödahl, Senior Vice President, R&D and Technology beim global agierenden Verbundwerkstoff-Hersteller Exel Composites, erklärt hier daher, warum Carbonfaser nicht immer die beste Option ist.

Oft schießt man mit „Kanonen auf Spatzen“

Carbonfasern werden oft als das Material der Zukunft gefeiert. Wenn Menschen an Carbonfasern denken, stellen sie sich wahrscheinlich futuristische Sportwagen mit Türen vor, die vertikal geöffnet werden, oder, falls sie aus der Industrie kommen, vielleicht Windturbinenrotoren, die länger sind als bisher vorstellbar. Für die meisten Verbundwerkstoff-Hersteller ist Carbonfaser das Material, mit dem man bei Anwender und Konstrukteur das Interesse an Verbundwerkstoffen weckt – bevor sie bemerken, dass andere Verbundwerkstoffe, wie zum Beispiel Glasfaserkomponenten, für ihr Projekt eigentlich sinnvoller wären. Sportwagen, Rennräder und Profi-Tennisschläger werden oft aus Carbonfasermaterialien gefertigt. Der Grund dafür ist, dass diese Anwendungen ein Material mit geringer Dichte und hoher Zugfestigkeit erfordern, um Gewichtsvorteile zu maximieren. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Carbonfasern für jede Anwendung perfekt ist.

Nicht verächtlich abwinken! Hoch die Gläser!

In vielen Fällen, bei denen Suchende die Carbonfaser favorisieren, ist die Glasfaser aber tatsächlich das Material, das ihren Anforderungen besser entspricht. Man könnte sogar sagen, dass Glasfasern das erste Hochleistungsmaterial überhaupt sind, weil deren Entwicklung bis vor den Zweiten Weltkrieg zurückreicht. Glas hat seine Nützlichkeit immer wieder unter Beweis gestellt, von der Verwendung in Tür- oder Fensterrahmenprofilen oder Teleskopstangen im Automobilbau bis hin zu Schienenverbindungen und Radarkuppeln. Wenn viele also meinen, dass Glasfasern ausschließlich zur Herstellung von Booten taugen, sollte man einen Blick darauf werfen, was dieses Material sonst noch alles kann. Denn Glasfasern bringen eine hervorragende Zugfestigkeit ins Spiel, die höher ist als die der meisten Metalle. Es ist ein ausgezeichneter Isolator mit einem sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und es ist korrosions- und witterungsbeständig. Beispielsweise verwendet man Glasfasermaterialien im ITER-Fusionsreaktor, ein von 35 Ländern gemeinsam entwickelter Reaktor nach dem Tokamak-Prinzip, Vorkompressionsringe (PCRs) aus Glasfaser-Verbundwerkstoff, um den Reaktor zusammenzuhalten.

Die Anwendung bestimmt die optimale Faser

Die PCRs werden im ITER-Fusionsreaktor eingesetzt, um die Verformung und Ermüdung von Magneten zu absorbieren, die das auf 150 Mio Grad Celsius erhitzte Plasma an Ort und Stelle halten. Die Glasfaser wurde deshalb genau aufgrund ihrer spezifischen mechanischen Eigenschaften für die PCRs ausgewählt. Und die Glasfaser hat den Langzeittest übrigens bestanden. Seit seiner frühen Verwendung im Zweiten Weltkrieg konnte das Material bisher noch nicht durch bessere Alternativen ersetzt werden, was vor allem an seinen mechanischen Eigenschaften, gekoppelt mit niedrigen Kosten und hoher Flexibilität bei der Konstruktion, liegt. Wenn es um Verbundwerkstoffe geht, sollte man bedenken, dass keine Wahl rein binär ist. Und bei Exel Composites finden sich viele pultrudierte Verbundwerkstoff-Systeme, die viele Probleme günstiger lösen können. Das Unternehmen stellt aber auch viele Carbonfaserprodukte her sowie Glasfaser-Carbonfaser-Hybride (siehe Bild).

Die Entscheidung darüber, welches Material oder welche Kombination daraus nun das richtige ist, erfordert das genaue Verständnis über die Anwendung und die Produktspezifikationen. Deshalb arbeitet man eng mit den Kunden zusammen. Auf der Grundlage dieses Wissens sollte Ihr Verbundwerkstofflieferant dann seine materialwissenschaftliche Expertise nutzen können, um Ihr ideales Produkt zu entwickeln. Diese Diskussion sollte auch die zu erwarteten Kosten berücksichtigen, besonders deshalb weil das Rohmaterial aus Carbonfasern teurer ist als Glasfaserprodukte.

Carbonfasern helfen auch, wenn sie sparsam und sinnvoll platziert werden

Das Anpassen eines Verbundwerkstoffs kann von der Wahl einer bestimmten Fasermischung, die bestimmte Eigenschaften mit sich bringt, bis hin zum Verwalten der Faserausrichtung und der Harzformulierung reichen. Beispielsweise könnte ein Glasfaserrohr zusätzliche Verstärkungen entlang einer Seite der Geometrie erfordern. In diesem Fall könnten Carbonfasern zum Zeitpunkt der Fertigung strategisch in das Rohr integriert werden, um eine starke Hybridstruktur zu schaffen. Auf diese Weise werden die Konstruktionsanforderungen erfüllt und gleichzeitig die Kosten optimiert.

Es ist also immer wichtig, das richtige „Werkzeug“ verfügbar zu haben, egal, ob man einen Bonsaibaum beschneiden oder Ihre Infrastruktur aufrüsten will. Auch wenn die Verwendung einer Motorsäge (mit Seitenblick auf die Carbonfaser als Entsprechung des Vergleichs) auf den ersten Blick attraktiver erscheinen mag, sind weniger glamouröse Optionen manchmal die bessere Wahl für die anstehende Aufgabe.

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