Endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe
Robust • Leicht • Korrosionsbeständig • Gestaltungsfreiheit
Ein endlosfaserverstärkter thermoplastischer Verbundwerkstoff ist – wie der Name bereits andeutet – eine Kombination aus einer Faserverstärkung und einer Harzmatrix (häufig einem thermoplastischen Harz). Er findet breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, bei Sportgeräten, im Bauwesen, im Schiffbau sowie in weiteren Bereichen und erfüllt die Anforderungen an Leichtbauweise, hohe Festigkeit und Designflexibilität.
Es weist folgende wesentliche Merkmale auf:
- Robustheit: Durch das Vorhandensein durchgehender Fasern werden Festigkeit und Steifigkeit des Materials gesteigert, wodurch es unter Belastung eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.
- Geringes Gewicht: Im Vergleich zu herkömmlichen Metallwerkstoffen sind endlosfaserverstärkte Thermoplaste im Allgemeinen leichter; dies trägt dazu bei, das Strukturgewicht zu reduzieren und die Gesamtleistung zu optimieren.
- Korrosionsbeständigkeit: Gegenüber Metallwerkstoffen zeichnen sich endlosfaserverstärkte Thermoplaste üblicherweise durch eine höhere Korrosionsbeständigkeit aus und erreichen in rauen Umgebungen eine längere Lebensdauer.
- Gestaltungsfreiheit: Da sich das thermoplastische Harz durch Erhitzen erweichen und umformen lässt, bietet das Material ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit und ermöglicht die Realisierung komplexer Formen und Strukturen.
Schauen wir uns hier einige der Inhaltsstoffe an, die in den beiden Teilen dieses Materials am häufigsten verwendet werden.
Endlosfaser
Es gibt viele verschiedene Arten von Fasern, die zur Verstärkung von Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffen eingesetzt werden können. Die gebräuchlichsten Verstärkungen sind Kohlenstofffasern und Glasfasern. Je nach Ihrer endgültigen Anwendung können Sie unterschiedliche Fasermaterialien auswählen.
Seit den 1990er Jahren finden Naturfaserverbundwerkstoffe in zahlreichen Anwendungsbereichen Verbreitung. Insbesondere im Automobilsektor sind sie aufgrund ihrer geringeren Kosten und ihrer geringeren Dichte äußerst attraktiv. Naturfasern – und hierbei insbesondere Polypropylen-Verbundwerkstoffe – haben zudem aufgrund ihres zusätzlichen Vorteils der Recyclingfähigkeit verstärkte Aufmerksamkeit erlangt.
- Kostengünstig, geringe Dichte (~1,5 g/cm³), leicht, umweltfreundlich.
- Höherer Fasergehalt als bei Glasfasern.
- Hohe biologische Abbaubarkeit am Ende des Lebenszyklus.
Die Herstellung von Glasfasern erfordert 5- bis 10-mal mehr nicht erneuerbare Energie als die Produktion von Naturfasern. Sie weist zwar bessere mechanische Eigenschaften auf als Naturfasern, ist jedoch nicht so fest wie Kohlenstofffaser. Das Problem der geringen Steifigkeit lässt sich leicht durch die Konstruktion von Sandwichstrukturen beheben, bei denen ein leichter Kern zwischen zwei Glasdeckschichten eingebettet wird, wodurch das Endergebnis eine höhere Steifigkeit erhält.
- Kostengünstiger und flexibler als Carbonfasern.
- Höhere Bruchdehnung im Vergleich zu Carbonfasern.
- Spröder und weniger verschleißfest (als Carbonfasern).
- Feuchtigkeitsbeständigkeit.
- Chemische Beständigkeit gegenüber Säuren und Lösungsmitteln.
- Niedrige Dielektrizitätskonstante.
- Elektrische Isolierung (oft als Vorteil betrachtet).
- Wärmeleitfähigkeit.
- In konventionellen Industriezweigen weiter verbreitet als Carbonfasern.
Kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe haben aufgrund ihrer einfachen Verarbeitbarkeit und der bequemen Recyclingfähigkeit im Vergleich zu duroplastischen Verbundwerkstoffen große Aufmerksamkeit erfahren.
- Geringes Gewicht und hohe Steifigkeit.
- Etwa ein Viertel des spezifischen Gewichts von Eisen, etwa zwei Drittel dessen von Aluminium.
- Höhere Steifigkeit und Festigkeit als Eisen (sowie höher als Glasfaser).
- Mehr als das Dreifache des Zugmoduls von Glasfaser.
- Hohe Wärmeleitfähigkeit.
- Geringer Wärmeausdehnungskoeffizient.
- Hervorragende Verschleißfestigkeit.
- Etwa zehnmal höhere Kosten als bei Glasfaser.
- Leitfähig.
- Für High-End-Anwendungsbereiche.
Basaltfaser besteht aus extrem feinen Basaltfasern und übertrifft Glasfaser hinsichtlich ihrer physikalisch-mechanischen Eigenschaften. Sie eignet sich für Komponenten in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau und hat sich zu einem aufstrebenden, kosteneffizienten Ersatz für herkömmliche Glas- und Carbonfasern entwickelt.
- Hohe Ermüdungslebensdauer.
- Geringere Kosten als bei Kohlefaser.
- Bessere physikalisch-mechanische Eigenschaften als bei Glasfaser.
HMW wird auch als UHMWPE (ultrahochmolekulares Polyethylen) oder HMPE (hochmoduliges Polyethylen) bezeichnet. HMW-PE weist unter den existierenden Thermoplasten die höchste Schlagfestigkeit auf.
- Hohe Säurebeständigkeit.
- Abriebfestigkeit.
- Geringe Feuchtigkeitsaufnahme.
Aramid ist eine synthetische Faser, die aus dem Polymer aromatisches Polyamid besteht. Je nach der unterschiedlichen Anordnung der chemischen Bindungen wird es im Wesentlichen in zwei Gruppen unterteilt: Meta-Aramid und Para-Aramid. Para-Aramid weist dabei eine höhere Zugfestigkeit auf.
- Hohe Festigkeit, hoher Elastizitätsmodul und hohe Abriebfestigkeit.
- Hohe Hitzebeständigkeit.
- Hervorragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis.
- Hoher Sehnenmodul.
- Hohe Reißfestigkeit.
- Geringes Kriechen.
- Geringe Bruchdehnung (~3,5 %).
- Schwer färbbar (üblicherweise spinngefärbt).
Thermoplastische Harze
Das thermoplastische Harz ist eine Polymerverbindung, die beim Erhitzen weich oder flüssig wird und beim Abkühlen wieder in ihren ursprünglichen festen Zustand zurückkehrt. Es findet häufig Anwendung im Spritzgussverfahren. Produkte aus thermoplastischen Harzen zeichnen sich durch eine hohe chemische Beständigkeit aus. Die meisten von ihnen weisen eine harte, kristalline oder gummiartige Oberfläche auf.
- Hohe Schlagzähigkeit.
- Hohe Duktilität und geringe Reibung.
- Geringe Härte und Steifigkeit.
- Beständigkeit gegen Electrical Treeing.
- Weicher und zäher als die meisten Standardkunststoffe.
- Höhere Steifigkeit und Festigkeit als PE-Harz.
- Hervorragende Zug- und Schlagfestigkeit.
- Geringere Zähigkeit bei kalten Temperaturen.
PVC ist aufgrund seiner Vielseitigkeit, Langlebigkeit und Kosteneffizienz der weltweit drittmeistverwendete Kunststoff. Es ist insbesondere im Bauwesen unverzichtbar, wo es dem Zweck dient, leichte, langlebige und wartungsfreie Lösungen zu schaffen.
- Eine hohe chemische Beständigkeit.
- Wasser- und Abriebfestigkeit.
- Einwirkung von UV-Strahlung sollte vermieden werden.
PPS ist ein technischer Kunststoff, der häufig als Hochleistungs-Thermoplast eingesetzt wird.
- Hitzebeständigkeit.
- Chemikalienbeständigkeit.
- Hervorragende Formbeständigkeit.
- Geringe Feuchtigkeitsaufnahme.
- Recyclingfähigkeit.
Ähnlich wie PPS-Fasern ist auch PEEK ein teilkristallines Thermoplast mit hervorragender mechanischer und chemischer Beständigkeit. Es handelt sich um einen fortschrittlichen neuen Werkstoff, der eine höhere Zähigkeit bietet; zugleich ist er jedoch auch teurer und schwieriger zu verarbeiten.
- Hohe chemische Beständigkeit.
- Hohe Härte, Steifigkeit und Festigkeit.
- Hervorragende Ermüdungs- und Spannungsrissbeständigkeit.
Im Gegensatz zu den meisten Thermoplasten kann Polycarbonat große plastische Verformungen eingehen, ohne zu reißen oder zu brechen. Es wird häufig im Innen- und Außenbereich von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
- Hervorragende Transparenz und selbstverlöschende Eigenschaften.
- Hohe Schlagfestigkeit, jedoch geringe Kratzfestigkeit.
Da ABS aus drei verschiedenen Monomeren zusammengesetzt ist, hängen seine Qualität und seine endgültigen Eigenschaften maßgeblich vom Verarbeitungsverfahren sowie vom Mischungsverhältnis dieser Komponenten ab.
- Mittlere Festigkeit.
- Hitzebeständigkeit, Schlagfestigkeit und Zähigkeit.
- Hervorragende elektrische Isoliereigenschaften.
- Leicht zu bearbeiten, zu schleifen, zu verkleben und zu lackieren – ein hervorragendes Material für den Prototypenbau.
- Geringe Witterungsbeständigkeit.
- Geringe Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln.
- Starke Rauchentwicklung bei Verbrennung.
- Vergleichsweise hohe Kosten.
Das Polyamidharz wird üblicherweise für Autoteile, Sportartikel und Maschinenteile verwendet.
- Hohe Festigkeit.
- Dimensionsstabilität.
- Verschleißfestigkeit.
- Hervorragende mechanische Eigenschaften und Zähigkeit.
- Überragende Abriebfestigkeit.
- Gute Beständigkeit gegen Chemikalien, Öle und Lösungsmittel.
TOPOLO endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe
Endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe sind in Form von Tapes und Platten erhältlich – konkret als UD-Tapes (unidirektional endlosfaserverstärkte thermoplastische Tapes) und CFRT-Platten (endlosfaserverstärkte thermoplastische Platten). Als Harzmatrix für unsere endlosfaserverstärkten thermoplastischen Materialien setzen wir vorwiegend PA, PP, PE und PPS ein, während Glas- und Carbonfasern als Verstärkungsmaterialien dienen. Darüber hinaus bieten wir weitere Produkte aus dem Bereich der thermoplastischen Verbundwerkstoffe an, wie etwa Serien von thermoplastischen Wabenplatten und Sandwichplatten.
Erfahren Sie mehr über unsere Produktionslinien für thermoplastische Verbundwerkstoffe.
UD-Bänder
UD-Tapes (unidirektionale, endlosfaserverstärkte thermoplastische Prepreg-Bänder) stellen die grundlegendste Form endlosfaserverstärkter thermoplastischer Verbundwerkstoffe dar. Ihr bemerkenswertestes Merkmal besteht darin, dass sie lediglich aus einer einzigen Schicht bestehen, in der sämtliche Fasern ausschließlich in einer Richtung ausgerichtet sind; dies führt zu einer extrem hohen Zugfestigkeit in dieser spezifischen Richtung.
CFRT-Platten
CFRT-Platten (kontinuierlich faserverstärkte thermoplastische Verbundplatten) sind mehrschichtig laminierte Platten, in denen thermoplastische unidirektionale Tapes in unterschiedlichen Winkeln (0°/90°, 45°/45°) angeordnet sind. Diese Laminierungsmethode ermöglicht es, die Zugfestigkeit einer einzelnen Schicht aus unidirektionalem Tape in der jeweils anderen Richtung auszugleichen.
Thermoplastische Wabenplatten
Thermoplastische Polypropylen-Wabenplatten sind ein weit verbreiteter, neuer, leichter Glasfaser-Sandwichwerkstoff. Seit seiner Entwicklung hat er in verschiedenen Branchen Beachtung gefunden. Er besteht aus einer thermoplastischen Deckschicht aus CFRT-Platten (kontinuierlich faserverstärkte Thermoplaste) und einem thermoplastischen Kern aus Polypropylen-Wabenkern, die durch thermische Laminierung hergestellt werden.
CFRT-Schaum-Sandwichpaneele
Als wirtschaftliches und praktisches thermoplastisches Deckschichtmaterial können CFRT-Platten in vielen Anwendungsbereichen duroplastische GFK-Platten ersetzen. Durch den Einsatz von Klebstoffen lassen sich CFRT-Platten mit verschiedenen Schaumsystemen verbinden, um leichte und robuste CFRT-Sandwichpaneele zu bilden. Diese finden bereits breite Anwendung – insbesondere bei Kofferaufbauten und Anhängern, bei denen eine Gewichtsreduzierung angestrebt wird – und erschließen sich zunehmend auch weitere Industriezweige.