Metallsubstitution Faserverbundkunststoffe verbessern Zugstangen

Faserverbundkunststoffe substituieren Metalle nicht nur aufgrund von Gewichtsvorteilen. Ein Beispiel dafür sind Zugstangen aus pultrudierten Rundstäben und Stahlhülsen zur Krafteinleitung. Um eine gleichmäßige Faserbelastung zu erreichen, wurden Maßnahmen entwickelt.

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Bestehen Zugstangen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) und nicht aus Metall, führt das nicht nur zur Gewichtseinsparung. Sie sind korrosions- und chemikalienbeständig, elektrisch und thermisch isolierend. So werden damit Kältebrücken in Baugruppen vermieden. Aufgrund dieser Vorteile hat der österreichische Kunststoffspezialist Faigle mit FVK-Zugstäben eine Substitution in unterschiedlichen Anwendungen ausgelöst: von Schalungsankern in der Bauindustrie über Steuergestänge im Maschinenbau bis zu Zugelementen im Fahrzeug- und Flugzeugbau (Bild 1).

Pultrusion sorgt für Faserverlauf entlang des Kraftflusses

Hergestellt werden die Zugstangen im Pultrusionsverfahren. Dafür hat Faigle den Verbundwerkstoff Igorex-PP entwickelt, der sich je nach Anwendung aus Endloscarbon- oder -glasfasern sowie einer thermoplastischen Kunststoffmatrix zusammensetzt, zum Beispiel Polypropylen (PP). Dadurch kann die Belastbarkeit der jeweiligen Anwendung angepasst werden, ohne das Kosten-Nutzen-Verhältnis aus dem Auge zu verlieren. Dabei sorgt das Pultrusionsverfahren, dass die Fasern entlang des Kraftflusses verlaufen und somit materialoptimiert ausgerichtet werden. Im Vergleich zu Zugstangen aus Aluminium ist das Gewicht nahezu halbiert. Beim Vergleich mit Stahlkomponenten fällt der Gewichtsvorteil sogar um vier Fünftel besser aus.

Außerdem lassen sich die pultrudierten Stangen mit dem Matrixkunststoff problemlos umspritzen. Anders als bei metallischen Einlegeteilen verschweißt die Spritgießmasse mit der Kunststoffmatrix. Es kommt zu einer vollflächigen, stoffschlüssigen Verbindung. Darüber hinaus bietet das Umspritzen Gestaltungsfreiheit. Lediglich die hülsenförmigen Krafteinleitungselemente bestehen aus Stahl. Sie werden auf beide Enden der Rundstäbe gepresst. Dazu hat Faigle ein Verfahren entwickelt, das für formschlüssige Krafteinleitung und eine effektive Kraftübertragung sorgt. Vor dem Pressvorgang werden die Stäbe bis zur Schmelztemperatur der Matrix erwärmt.

Wellenartige Faserverformung verbessert das Einleiten der Kräfte

Hauptverantwortlich für die effektive Krafteinleitung ist eine wellenartige Faserverformung an den Enden, die bis zum Inneren des Stabes reicht. Dadurch wird bei Belastung eine gute Kraftverteilung auf die Fasern erreicht (Bild 2). Bei anderen Fügeverfahren wie dem Klemmen oder Kleben der Stahlhülsen ist das nicht der Fall. Werden die Stahlhülsen auf die Enden der Rundstäbe geklemmt oder geklebt, leiten sie die Kraft sehr unterschiedlich an die Fasern weiter. Die äußeren Fasern wären einer hohen Belastung ausgesetzt, die weiter innen liegenden Fasern würden nur aufgrund der Scherfestigkeit der Matrix an der Kraftübertragung teilnehmen.

Anders ist das bei Zugstangen aus dem Faserverbundkunststoff Igorex-PP, die wirtschaftlich in Großserien hergestellt werden können. Die wellenartige Faserverformung wird beim Pressen der Stahlhülsen auf die beiden Enden der Rundstäbe erzeugt. Eine zum Beispiel 7 mm dünne Zugstange aus diesem Verbundwerkstoff kann einer Zugkraft bis 19.000 N ausgesetzt werden. Das entspricht einer Belastung von 500 N/mm2. Die maximale Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs wird dabei zu 70 % ausgenutzt. MM

* Thomas Decker leitet den Verkauf Components bei der Faigle Kunststoffe GmbH in 6971 Hard (Österreich), Tel. (00 43-55 74) 68 11-16 03, thomas.decker@faigle.com

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