AVK Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.v. (Hrsg.) Handbuch Faserverbundkunststoffe

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2 AVK Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.v. (Hrsg.) Handbuch Faserverbundkunststoffe

3 AVK Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.v. (Hrsg.) Handbuch Faserverbundkunststoffe Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen 3., vollständig überarbeitete Auflage Mit 385 Abbildungen und 46 Tabellen PRAXIS

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. AVK Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. Federation of Reinforced Plastics Am Hauptbahnhof 10 D Frankfurt am Main Tel.: +49 (0) 69 / Fax: +49 (0) 69 / Web: Koordination des Autorenkreises (1. Auflage und 2. Auflage, 2005) und Vorwort: Dr. Günter Kannebley Koordination des Autorenkreises (3. Auflage): Dr.-Ing. Rudolf Kleinholz Redaktionelle Bearbeitung: Volker Mathes Verantwortlich für die Herausgabe: Dr. Elmar Witten Die ersten beiden Auflagen erschienen im Eigenverlag der AVK unter dem Titel: Faserverstärkte Kunststoffe und duroplastische Formmassen 3., vollständig überarbeitete Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2010 Lektorat: Christian Kannenberg Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Satz: FROMM MediaDesign, Selters/Ts. Druck und buchbinderische Verarbeitung: Ten Brink, Meppel Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in the Netherlands ISBN

5 5 Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort Begriffe und Abkürzungen Grundlagen Verbundwerkstoffe Der Markt für Faserverbundkunststoffe Einordnung in die Kunststoffindustrie und Marktbeschreibung Anwendungen und Verfahren Marktchancen Werkstoffe Rohstoffe Harze Ungesättigte Polyesterharze Vinylesterharze Diallylphthalatharze Methyl-Methacrylatharze Epoxidharze Polyurethane Phenol-Formaldehydharze Aminoharze Thermoplaste Polypropylen Einführung Polymeraufbau Eigenschaftspektrum Verarbeitungsverfahren und Anwendungsgebiete Aktuelle Entwicklungstrends und Zukunftsaussichten Biopolymere Beschreibung der Ausgangskomponenten Voraussetzungen für die Verarbeitung Darstellung ausgewählter Typen und ihrer Charakteristika Reaktionsmittel Chemische Grundlagen Reaktionsmittel für Polymerisate Reaktionsmittel für Polyadditionsreaktionen Sicherer Umgang mit Reaktionsmitteln Verstärkungsfasern Textilglasfasern Aramidfasern Kohlenstoff-Fasern Naturfasern

6 6 Inhaltsverzeichnis Vliesstoffe Einführung Herstellungsverfahren Verwendungszweck Füllstoffe Einführung/Geschichtliches Morphologie und Kristallstruktur Ausgewählte Füllstoffe eine Übersicht Verfahrenstechnik Anwendungshinweise für GFK Ausblick Additive Einführung Beschreibung der Additive Farbmittel Einführung/Geschichtliches Grundlagen Farbmittel in Faserverstärkten Kunststoffen Übersicht ausgewählter Pigmente Pigmentpräparationen und Aufbereitung Ausblick Trennmittel Einleitung Trennmittelsysteme Fehlerquellen Beispielhafte Anwendungen Schlusswort Halbzeuge Faserhalbzeuge Herstellung von Faserhalbzeugen Konfektion von Faserhalbzeugen Prepregs Einleitung Herstellung und Eigenschaften von Duroplastprepregs FKV Halbzeuge mit thermoplastischer Matrix SMC/BMC Werkstoff SMC BMC Polyesterformmassen Thermoplastische Formmassen Einführung Ausgangsstoffe Herstellverfahren Eigenschaften Ausblick Werkzeug-Werkstoffe Werkstoffe für geschlossene Werkzeuge Werkstoffe für offene Werkzeuge

7 Inhaltsverzeichnis 7 5 Werdegang eines Produktes Gestaltung eines Produktes Konstruktion und Berechnung Umdenken in Schichten und Faserkoordinaten Eigenschaften des Verbundes aus Fasern und Matrix Eigenschaften mehrschichtiger Laminate Dimensionierung mit der Klassischen Laminattheorie (CLT) Festigkeitsanalyse Hilfsmittel für die Berechnung Lebensdauer von FVK Verhalten bei Crash Krafteinleitungselemente Herstellungsverfahren Handlaminieren/Faserspritzen Einleitung Verfahrensgrundlagen Betriebsmittel/Werkzeuge Ausgangsstoffe für handlaminierte oder fasergespritzte Bauteile Verfahrensablauf Gestaltungsparameter Eigenschaften/Qualität Nasspressen Einführung Verfahrensgrundlagen Verfahrensablauf Betriebsmittel Ausgangsstoffe Qualität von Pressteilen Mögliche Fehler und ihre Ursachen Ausblick Wickelverfahren Einleitung Verfahrensgrundlagen Anlagentechnik Thermoplastwickeln Weitere Entwicklung Profilziehverfahren Einleitung/Geschichtliches Verfahrensgrundlagen Betriebsmittel Ausgangsstoffe Gestaltungsparameter Eigenschaften Weiterverarbeitung Anwendungsbeispiele

8 8 Inhaltsverzeichnis 6.5 Injektionsverfahren Einführung RTM-Verfahrensablauf Verfahrensgrundlagen Betriebsmittel Ausgangstoffe Prozessvarianten/Gestaltungsoptionen Zusammenfassung Das Spaltimprägnierverfahren Einleitung Konzept des Spaltimprägnierverfahrens Formfüllvorgang im Spaltimprägnierverfahren Fertigung von ebenen, monolithischen Bauteilen Analyse der Fertigung von gekrümmten Sandwichbauteilen mithilfe des Spaltimprägnierverfahrens Fazit und Ausblick Heißpressen von SMC/BMC Einführung/Geschichtliches Verfahrensgrundlagen Betriebsmittel Produktionswerkzeuge/Hilfsmittel Gestaltungsrichtlinien Nachbehandlung Qualität/Eigenschaften Hochdruckpressen von GMT/LFT Einführung/Geschichtliches Verfahrensgrundlagen Betriebsmittel /Verfahrensablauf Ausgangsstoffe Produktionswerkzeuge/Hilfsmittel Gestaltungsrichtlinien Nachbehandlung Qualität/Eigenschaften Spritzgießen von BMC Einführung Verfahrensgrundlagen Betriebsmittel Produktionswerkzeuge Nachbehandlung Qualität und Eigenschaften Spritzgießen langfaserverstärkter Thermoplaste (LFT) Einführung Prinzip der Langfaserverstärkung Verfahrensgrundlagen Betriebsmittel/Verfahrensablauf Ausgangsstoffe Ausblick und Entwicklungstendenzen

9 Inhaltsverzeichnis Kontinuierliches Laminieren Einführung Verfahrenstechnische Grundlagen Ausgangsstoffe/Hilfsmittel Kontinuierliche Herstellung planer Platten und Bahnen Produkte Konstruktion Eigenschaften Anwendungen Schleuderverfahren Einführung Grundlagen des Schleuderverfahrens Fertigungseinrichtungen Verfahrenstechnik Verfahrensbedingte Produktmerkmale Qualitätssicherung Umformen endlosfaserverstärkter Thermoplaste Einführung Ausgangssituation Verfahrensablauf Umformverfahren, Betriebsmittel und Einsatzmöglichkeiten Automatisierte Legeverfahren Einleitung Verfahrensgrundlagen Anlagentechnik Duroplast-Tapelegen Thermoplast-Tapelegen LFI-Verfahren Einleitung Verfahrensablauf Anlagentechnik Prozessüberwachung Prozessvarianten Zusammenfassung und Ausblick Fertigteilbearbeitung Spanende Bearbeitung Fräsen Bohren Stanzen Ultraschallschwingläppen Strahl-Bearbeitung Wasserstrahlschneiden Laserstrahlschneiden Fügetechnik Oberflächenbehandlung Kleben von FVK Schweißen von FVK Mechanisches Fügen Weitere in der Praxis angewandte Verbindungstechniken

10 10 Inhaltsverzeichnis 7 Normung Institutionen der Normungsarbeit Der Fachnormenausschuss Kunststoffe (FNK) im Deutschen Institut für Normung e.v. (DIN) Aufgabenbeschreibung des FNK Organisationsschema des FNK Finanzierung der Normungsarbeit Berichte und Arbeitsergebnisse aus den Gremien Die International Standard Organisation (ISO) Das Comitée Européen de Normalisation (CEN) Die wichtigsten Gremien des FNK mit ihren Internat. Spiegelgremien Das Europäische Normungsverfahren Werdegang einer internationalen Norm Verfahren Kosten einer Norm Weitere Komitees Prüfverfahren Einleitung Die wichtigsten Bestimmungen im Überblick Prüfzeichen Die AVK stellt sich vor Autorenverzeichnis

11 11 1 Vorwort Dem Konstrukteur steht heute eine Vielzahl von Werkstoffen zur Lösung eines speziellen Branchenproblems zur Verfügung. Kunststoffe bilden eine dieser Werkstoffgruppen, die eine besonders große Typenvielfalt aufweisen. Das vom Carl-Hanser-Verlag aufgelegte Kunststoffhandbuch trägt dieser Tatsache Rechnung; es lässt von anerkannten Fachleuten das gesamte Spektrum der Kunststoff- Werkstoffe (Thermoplaste, Duroplaste, Elastomers) in 10 Bänden ausführlich darstellen, wobei jeder Band einer bestimmten Typenreihe zugeordnet ist. (Die Ausnahme bildet Band I, in dem Chemie, Physik und Technologie der Kunststoffe allgemein behandelt werden.) Für verstärkte Kunststoffe waren zunächst die Duroplaste die wichtigste Werkstoffgruppe. Die schon im Jahre 1910 von dem Chemiker Baekeland aus Phenol und Formaldehyd entwickelte härtbare Formmasse, die nach ihm Bakelite benannt wurde, spielt jedoch für die verstärkten Kunststoffe keine Rolle. Entscheidend dafür waren Entwicklungen Ende der 30er Jahre in den USA, die zu den so genannten ungesättigten Polyesterharzen führten. Bei diesen handelt es sich um längerkettige Moleküle, die auf Grund ihrer chemisch ungesättigten Struktur und gelöst in einer ebenfalls ungesättigten Verbindung als reaktives Flüssigharz zur Verfügung stehen. Durch Zusatz von Radikalbildnern kann eine Polymerisation eingeleitet werden, die zu einem hochmolekularen dreidimensional vernetzten Härtungsprodukt führt. Der flüssige Ausgangszustand dieser Harze bietet neben der Möglichkeit, die verschiedenartigsten Füllstoffe hinzuzufügen, auch die Chance, durch Zusätze aus langen Fasern, die mechanische Festigkeit der gehärteten Produkte wesentlich zu erhöhen. Als Fasern boten sich zu Beginn der Entwicklung die bereits bekannten Glasfasern an, wobei es darauf ankam, deren Oberfläche so zu präparieren, dass eine gute chemische Anhaftung der Matrixharze gewährleistet werden konnte. Diese umfangreichen Entwicklungen in den USA, die in vielen Patenten niedergelegt wurden, kamen dann nach dem zweiten Weltkrieg über europäische Lizenznehmer auf den hiesigen Markt. Eine Reihe der schon in den USA entwickelten Anwendungen und Verfahrenstechniken fand auch bei uns schon bald Eingang in die Praxis. Eine wichtige Rolle spielte dabei ein Verfahren, das zum Teil auch kontinuierlich arbeitend zur Herstellung der so genannten transparenten Wellplatten und -bahnen diente, da die optischen Brechungen der Polyesterharze und der Glasfasern einander angepasst werden konnten. Die in der damaligen Zeit aufstrebende Bauwirtschaft machte vor allem beim Industriebau davon Gebrauch, um Lichtbahnen in Asbest- oder Wellblechabdeckungen einzubringen. Dieses Anwendungsgebiet hatte zunächst einen Marktanteil von über 50 % und die Herstellerfirmen fanden sich bereits 1958 zur Arbeitsgruppe Wellplatten und -bahnen zusammen. Alle anderen Anwendungen waren lediglich regional von Belang, wobei nur in wenigen Fällen von industrieller Fertigung die Rede sein konnte. Insgesamt war das Grundwissen über diesen neuen Werkstoff recht lückenhaft. Deshalb war es auf der Kunststoffmesse 1959 in Düsseldorf eine sehr richtungweisende Entscheidung (eingeleitet von der Glasfaserindustrie vertreten durch Herrn Dr. von der Heide und Vertretern

12 12 1 Vorwort aus Industrie und Wissenschaft) die Arbeitsgemeinschaft verstärkte Kunststoffe (AVK) 1960 ins Leben zu rufen. Wie es im Namen zum Ausdruck kommt, war es Ziel dieser Gemeinschaft, durch abgestimmte Aufgabenstellungen verlässliche Grundlagen über Eigenschaften, Prüfungen und Normungen dieser Werkstoffgruppe zu schaffen, so wie dies für andere Kunststoffe schon seit längerer Zeit geschah und beispielhaft übertragen werden konnte. Die AVK, deren Mitglieder aus allen betroffenen Bereichen kamen (Rohstoffhersteller, Verarbeiter, wissenschaftliche Institute, Anlagenbauer, Ingenieurbüros und Prüfämter), hat sich zunächst dem Gesamtverband Kunststoffverarbeitende Industrie e.v. (GKV) angeschlossen. Durch das gemeinsam erarbeitete Grundlagenwissen wurde die AVK sehr bald national wie international zum anerkannten Fachgremium; speziell ausgerichtete Seminare sowie die bereits ab 1960 stattfindende internationale Fachtagung leisteten dazu einen entscheidenden Beitrag. Seit 1967 ist die AVK als eingetragener Verein (AVK e.v.) selbstständig. Schließlich ging daraus die heutige Industrievereinigung verstärkte Kunststoffe als eigenständiger Industrieverband hervor. Das vorliegende Handbuch fasst den derzeitigen Stand der Technik zusammen. Die Einzelbeiträge des im Jahre 2005 erschienenen AVK Branchenhandbuches haben dabei weitgehend Berücksichtigung gefunden und wurden entsprechend aktualisiert. Einleitend werden die vielen, für das Verständnis wichtigen und allgemein gebräuchlichen Begriffe (auch in der genormten englischen Fachsprache) definiert. Es folgen Erläuterungen zu den Verbundwerkstoffen, zu den Märkten und den vielseitigen Anwendungen. Danach werden die vielen inzwischen verfügbaren Matrixharze und Verstärkungsmaterialien sowie die daraus für die Verarbeitung entwickelten Halbzeuge ausführlich behandelt. Da die unterschiedlichen Verarbeitungsverfahren sehr spezielle Werkzeuge erfordern, ist den dafür bevorzugten Werkstoffen ein eigener Abschnitt gewidmet. Einen breiten Raum nehmen die aus langjähriger Erfahrung gewonnenen Richtlinien für die Gestaltung und Berechnung eines Produktes sowie die Beschreibung der sehr unterschiedlichen Herstellverfahren und der Nachbearbeitungsmöglichkeiten ein. Deren detaillierte Kenntnis ist Voraussetzung für die Realisierung eines Produktes. Auch in Zukunft sind weitere Neuentwicklungen zu erwarten; sie werden wie bisher in einschlägigen Fachzeitschriften publiziert. Unabhängig davon wird die AVK ihre erfolgreiche Informationspolitik über Fachseminare und vor allem über die internationale Fachtagung an wechselnden Orten weiter verfolgen.

13 13 2 Begriffe und Abkürzungen 2D 3D Additiv (additive) Ausgangsstoff (basic material, raw material) Beschleuniger (accelerator/promoter) Biopolymere (biopolymers) BMC (bulk molding compound) C-Fasern/Aramidfasern CFK (CRP carbonfiber reinforced plastic) Compound (compound) D-LFT Duroplast (thermoset) EP Filament (filament) Zweidimensional Dreidimensional Substanz, die in geringer Dosierung eingesetzt wird, um bestimmte Eigenschaften einer Formmasse wie z. B. die Rheologie oder den Füllgrad und die Verarbeitbarkeit zu verbessern. Eine für den Aufbau eines Verbundwerkstoffes erforderliche Komponente. In geringer Menge zugesetzte Substanz, die die Reaktionsgeschwindigkeit einer Härtung erhöht. Polymerwerkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe (z. B. Pflanzenöle, Lignin). Feuchtpolyester-Formmasse HM = Hochmodul IM = Mittlerer Modul LM = Niedrigmodul HT/HST = Hohe Festigkeit Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff Mischung aus einem oder mehreren Polymeren mit anderen Bestandteilen, wie Füllstoffen, Katalysatoren, Farbstoffen etc., die als FORMMASSE spanlos geformt werden kann. Direkt LFT Reaktionsharz, das mit Wärme oder anderen Mitteln härtbar ist und sich dabei in ein praktisch unschmelzbares und unlösliches Produkt mit räumlich vernetzter Struktur umwandelt. Epoxidharz Als ENDLOSFASER bezeichnetes Textilelement von geringem Durchmesser und großer Länge. Zur Anwendung kommen überwiegend Filamentdurchmesser von 5 27 m.

14 14 2 Begriffe und Abkürzungen Formmasse (compound/ moulding compound) Formstoff (moulding) Füllstoff (filler) FVK Garn (yarn) Gel-Coat (gel-coat) Gesamtvolumenschwindung (total volume shrinkage) GFK (GRP glass fiber reinforced pastic) GMT Haftvermittler (coupling agent) Härtungsmittel/ Reaktionsmittel (curing agent) Hybrid (hybrid) IMC Inhibitor/Verzögerer (inhibitor) Katalysator (catalyst) Siehe unter C Aus einer Formmasse durch thermoplastische Umformung oder duroplastische Formgebung erhaltenes Erzeugnis. Verhältnismäßig inerter, fester Stoff, der einem Kunststoff beigemischt wird, um dessen Festigkeit, Stabilität, Verarbeitungs- oder andere Eigenschaften zu verbessern oder um den Preis zu senken. Faserverbundkunststoff Allgemeine Bezeichnung für alle Arten gezwirnter und nicht gezwirnter Fäden und Garne aus Endlos- oder Stapelfasern. Äußere, gelegentlich eingefärbte Harzschicht (FEINSCHICHT) auf einem faserverstärkten Kunststoff, die die Oberflächeneigenschaften verbessert. Summe der Schwindung einer Harzmischung während des Härtens und des anschließenden Abkühlens von der Härtungs- zur Raumtemperatur. Glasfaserverstärkter Kunststoff Glasmattenverstärkter Thermoplast Stoff, der die Haftung der Harz-Matrix auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials ermöglicht und verbessert. Der Haftvermittler wird mit der Schlichte auf die Verstärkung aufgebracht oder dem Kunstharz beigemischt. Zur Aushärtung eines Duroplasten erforderliche Zusatzkomponente, die die Härtung einleitet und an der Reaktion teilnimmt. Unter Verwendung von zwei oder mehr Faserwerkstoffen hergestellter Verbund. a) Injection Molding Compounder (Spritzgieß-Compounder) b) In-Mold-Coating/Oberflächenschicht im Werkzeug In kleiner Menge verwendeter Zusatzstoff, um eine chemische Reaktion zu verzögern. In geringen Mengen verwendeter Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht und an deren Ende unverändert vorliegt.

15 2 Begriffe und Abkürzungen 15 LFT LFG Matrix (matrix) Nachschwindung (post schrinkage) Nenndurchmesser (nominal diameter) Oberflächenbehandlung (finishing) Oberflächenmatte (surfacing mat) PA Polyaddition (addition polymerisation) Polykondensation (condensation polymerisation) Polymerisation (polymerisation) PP Prepreg (prepreg) Recyclat (recycled product) Roving (roving) RTM Langfaserverstärkte Thermoplaste Langfasergranulat Duroplastischer oder thermoplastischer Kunststoff als Bindemittel von Verbundwerkstoffen. Schwindung eines Kunststoffproduktes infolge Nachbehandlung (Temperung), Lagerung oder Gebrauch. Zur Bezeichnung von Textilglasprodukten verwendeter Endlos- oder Stapelfaserdurchmesser, der dem mittleren wirklichen Durchmesser entspricht. Aufbringen einer Schlichte auf das Fasermaterial, um die Haftung der Matrix zu verbessern oder die Weiterverarbeitung (weben, zwirnen, schneiden) zu erleichtern. Gelege von gebundenen Stapel- oder Endlosfasern, das zur Erzielung einer harzreicheren Oberflächenschicht von Verbundwerkstoffen eingesetzt wird. Polyamid Bildung von Makromolekülen durch wiederholte Addition der Ausgangsprodukte aneinander, ohne dass dabei eine Abspaltung von Wasser oder anderen Molekülen erfolgt. Aufbau von Makromolekülen durch wiederholten Kondensationsprozess der Ausgangsstoffe unter Abspaltung einfacher Moleküle wie z. B. Wasser. Verfahren, bei dem ein Monomer oder ein Monomerengemisch durch Aufspaltung von ungesättigten Bindungen (Doppelbindungen) in ein Polymer umgewandelt wird. Polypropylen Mischung von Kunstharzen (mit oder ohne Füllstoff), Additiven und Verstärkungsmitteln in Gewebe- oder Faserform, bereit zur Verarbeitung. Erneut einsetzbares Erzeugnis, das durch Aufarbeitung eines bereits gebrauchten Kunststoffproduktes erhalten worden ist. Strang aus parallelen Spinnfäden (assemblierter Roving) oder Endlosfasern (Direktroving). Resin Transfer Molding (Harz-Injektionsverfahren)

16 16 2 Begriffe und Abkürzungen Schlichte (sizing) Schüttdichte (bulk density) SMC Spinnfaden (strand) Stabilisator (stabilizer) Stapelfaser (staple fiber) Tex (tex) Textilglas (textile glass) Thermoplast (thermoplastic) Topfzeit (pot life) UD UP Verarbeitungsschwindung (moulding shrinkage) Verbundwerkstoff (composite) Verstärkungsmaterial (reinforcement) Während des Herstellprozesses auf Textilglasfasern aufgebrachter Stoff zur Erleichterung der Weiterbehandlung (zwirnen, weben, schneiden). Scheinbare Dichte von Pulvern, Granulat, Mahlgut usw. Sheet molding compound (Flächige Formmasse) Verbund gleichzeitig hergestellter paralleler endloser Glasfasern. Kunststoffrezepturen zugesetzte Substanz, die während Verarbeitung und Anwendung das Beibehalten der anfänglichen Eigenschaften unterstützt. Einzelfaser von kleinem Durchmesser und geringer Länge. Zur Kennzeichnung der Fadenfeinheit (lineare Dichte) benutzte Einheit, die in g/km angegeben wird. Allgemeine Bezeichnung für alle aus Glas bestehenden textilen Produkte aus Endlos-(Filament-) und Stapelfasern. Kunststoff mit der Eigenschaft, in einem für ihn typischen Temperaturbereich in der Wärme zu erweichen und beim Abkühlen wieder zu erhärten. Gebrauchsdauer eines Reaktionsharzes bzw. einer Formmasse während der Verarbeitung. Unidirektional = Fasern in einer Richtung Ungesättigtes Polyesterharz Differenz der Dimension eines Formteiles und des Formnestes, in dem es hergestellt wurde, wobei Formteil und Werkzeug bei Raumtemperatur gemessen werden. Feststoff bestehend aus zwei oder mehr unterschiedlichen Phasen, umfassend eine Matrix und eine aus Teilchen oder Fasern bestehende Phase. (Es werden auch Feststoffe aus zwei oder mehr Schichten unterschiedlicher Materialien wie Kunststofffolien oder platten, Holz, Metall, Schaumstoff usw. mit oder ohne Klebstoffzwischenschichten als Verbundwerkstoffe bezeichnet.) Fasermaterial wie Strang, Garn, Matte oder Gewebe, das zur nachhaltigen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eines Matrixharzes eingesetzt wird.

17 17 3 Grundlagen 3.1 Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe sind Werkstoffe, bei denen verschiedene Komponenten miteinander kombiniert werden. Faserverbundkunststoffe (FVK) oder auch faserverstärkte Kunststoffe sind eine Untergruppe der Verbundwerkstoffe. Diese sind eine moderne Werkstoff-Klasse, die sich durch ihre maßgeschneiderten Eigenschaften und auf die jeweilige Anwendung zugeschnittenen Verarbeitungsverfahren in fast allen Anwendungsgebieten behauptet haben. So werden beispielsweise großflächige Bauteile wie Boote oder Windkraft-Flügel in großen Kunststoff-Formen oder auch Kunststoff-Werkzeugen mit flüssigen Reaktionsharzen und Verstärkungsmaterial hergestellt. Andere, kleiner dimensionierte Bauteile, z. B. für die Fahrzeugoder Elektro-Industrie können aus vorgefertigten Zwischenprodukten in großen Serien in Metallformen mit zwei Formhälften im Press- oder Spritzgieß-Verfahren gefertigt werden. Faserverstärkte Kunststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass die Fasern wie Muskelfasern oder Holzfasern die Kunststoffe verstärken und auf ein höheres mechanisches Niveau anheben. Entscheidend ist dabei das Zusammenspiel zwischen Faser und Kunststoff-Matrix. Fasern alleine können zwar hohe Zugkräfte aufnehmen, aber keine auf Biegung oder Druck beanspruchte Bauteile darstellen. Unverstärkte Kunststoffe können zwar Bauteile sein, sind aber teilweise spröde (duroplastische Reaktionsharze) oder zu flexibel (Thermoplaste). Erst durch die Kombination von Fasern und Kunststoff und die feste Anbindung der Kunststoff-Matrix an die Fasern können hoch belastbare Bauteile wie Flugzeugteile, Fahrzeugteile oder Sportgeräte wie Skier oder Tennisschläger produziert werden. Verstärkungsfasern sind heute im Wesentlichen Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und Naturfasern. Diese Fasern haben eine niedrige Dichte und geben den zu verstärkenden Kunststoffen hohe Festigkeit und Steifigkeit. Deshalb haben die verstärkten Kunststoffe bezogen auf das niedrige Gewicht ein hohes Leistungsniveau. In der Nicht-Fachwelt wird oft nur von den Fasern gesprochen, wenn von FVK-Bauteilen wie Fiberglas-Hochsprungstäben oder Kohlenstofffaser-Karosserieteilen die Rede ist. Immer sind aber die faserverstärkten Kunststoffe gemeint, denn ohne die gestalt- und oberflächengebende Kunststoff-Matrix wären die Bauteile gar nicht herstellbar. Bezeichnungen wie GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) oder CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) sind dagegen richtig. Höchste mechanische Eigenschaften werden erreicht, wenn die Fasern endlos und gerichtet (unidirektional, isotrop) eingebracht werden. Abminderungen gibt es, wenn die Fasern endlich und ungerichtet (anisotrop) vorliegen. Aber selbst kurze Fasern mit 1 mm Faserlänge können z. B. im Spritzgießverfahren hergestellte Thermoplast-Teile noch verstärken. In Kenntnis der Belastungsart können faserverstärkte Kunststoffe durch Variation der Faser-Art und Faser- Anordnung je nach Lastfall maßgeschneidert werden.

18 18 3 Grundlagen Alle Fasern haben ein nahezu elastisches Verhalten bis zum Bruch, wobei Kohlenstofffasern deutlich steifer und leichter als Glasfasern sind, weshalb diese beispielsweise für Flugzeug- Teile verwendet werden. Nähere Einzelheiten zu den Matrix- und Fasereigenschaften werden in den entsprechenden Kapiteln dieses Handbuches beschreiben. 3.2 Der Markt für Faserverbundkunststoffe Einordnung in die Kunststoffindustrie und Marktbeschreibung Im Laufe der letzten fünf Jahrzehnte ist die weltweite Kunststoff-Produktion kontinuierlich um durchschnittlich fast 10 % jährlich gewachsen. Basierend auf den spezifischen Materialeigenschaften hängt diese Erfolgsstory vor allem eng zusammen mit dem hohen Innovationspotenzial der Werkstoffe und dem Substitutionspotenzial gegenüber anderen Materialien. So war in den letzten drei Jahrzehnten das durchschnittliche jährliche Mengenwachstum von Kunststoffen beispielsweise etwa dreimal so hoch wie das von Stahl. Derzeit wird etwa ein Viertel der gesamten Weltproduktion von Kunststoffen in Europa gefertigt. In Europa ist Deutschland mit einem Drittel dieser Produktion das größte Erzeugerland. Die Kunststoffindustrie ist in Deutschland mit ca. 6 % der gesamten Industrieproduktion ein bedeutender volkswirtschaftlicher Sektor. Die Hauptanwendungsgebiete für den Kunststoff- Verbrauch in Europa sind der Verpackungsbereich, das Bauwesen, der Automotive-Bereich und die Elektronik- & Elektro-Industrie. Die Unternehmen der Kunststoffindustrie lassen sich entsprechend der Wertschöpfungskette grob gliedern in die Gruppen: Kunststoff-Erzeuger Kunststoff-Verarbeiter und Kunststoff-Maschinenbau. In Deutschland (wie auch in anderen europäischen Ländern) machen dabei die Kunststoff- Verarbeiter den größten Teil dieses Industriezweiges aus, und zwar sowohl hinsichtlich der Anzahl der Unternehmen, der Summe der Beschäftigten als auch was den Umsatz betrifft. Die Landschaft der Kunststoff-Verarbeiter weist dabei die Besonderheit auf, dass sie, z. B. im Gegensatz zur Stahlerzeugung, geprägt ist durch kleine (und kleinste) sowie mittelständische Unternehmen. Die Bedeutung des Mittelstandes für die deutsche Industrie als Motor der Entwicklung findet hier eine anschauliche Bestätigung. Der Markt für Faserverbund-Kunststoffe (FVK) ist ein relativ kleines, aber aufgrund bestimmter Spezifika, bedeutendes Segment der Kunststoffindustrie. Das Produktionsvolumen liegt europaweit zwar unter 5 % der gesamten Kunststoffmenge, die Anwendungen sind aber häufig sehr innovativ, auf einem technisch sehr hohen Niveau und nehmen oft eine gewisse Leuchtturm-Funktion, was die Potenziale von Kunststoffen betrifft, ein (z. B. in den Bereichen Luftund Raumfahrt oder alternative Energien). Die Hauptanwendungen für FVK sind zu jeweils etwa einem Drittel der Transport- und der Baubereich, die Elektronik- & und Elektroindustrie und zu einem nicht unbeträchtlichen Teil der Sport- und Freizeitbereich.

19 3.2 Der Markt für Faserverbundkunststoffe 19 Als Verstärkungsmaterial für die Kunststoffmatrix werden dabei derzeit immer noch am häufigsten Glasfasern eingesetzt. Daneben gibt es Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Naturfasern und andere. Konsistente Produktionsmengen-Erhebungen über einen längeren Zeitraum in Europa liegen derzeit aber fast ausschließlich für glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) vor. Das Marktsegment für FVK lässt sich als eigene Branche kaum vollständig erfassen. Das hängt einmal damit zusammen, dass es in den amtlichen Statistiken kein valides Datenmaterial gibt, was u. a. auf die bereits erwähnte Unternehmensstruktur mit Klein- und Kleinstunternehmen zurückzuführen ist, die statistisch nicht erfasst werden. Zum anderen gibt es Unternehmen, bei denen die Faserverbund-Verarbeitung nur eins von mehreren Geschäften ist und oft nicht gesondert aufgeführt wird. Die oben vorgenommene Unterscheidung in Erzeuger, Verarbeiter und Maschinenbau lässt sich für den FVK-Markt wie folgt detaillieren: Erzeuger und Händler von Rohstoffen: z. B. Harze, Fasern, Reaktionsmittel, Füllstoffe, Additive Verarbeiter: Hersteller von Halbzeugen (z. B. SMC, BMC, Prepregs, GMT) und Hersteller von Zwischen- und Fertigprodukten (z. B. Profile, Rohre, Platten) Maschinenbauer: Ausrüster für die eingesetzten Verfahren (z. B. Pressen, Spritzgießen, Umformen, Laminieren, Pultrudieren, Injizieren, Wickeln, Schleudern) Daneben gibt es auch in diesem Marktsegment Dienstleister unterschiedlichster Art, die Services für die Unternehmen anbieten (z. B. Institute, Prüforganisationen, Ingenieurbüros und Verbände/Vereinigungen). Ein wesentliches Merkmal für den FVK-Markt ist, dass im Wesentlichen alle Unternehmen im Business-to-Business-Bereich arbeiten, das heißt, dass die Kunden auch Unternehmen (und nicht private Endkunden) sind. Diese Unternehmen stammen aus den skizzierten Hauptanwendungsindustrien für FVK: Transport, Bau, Elektronik & Elektro sowie Sport & Freizeit. Die Mehrstufigkeit der Wertschöpfungskette bedingt spezifische Marktmechanismen, für die auch und vor allem die Nachfrage und Entwicklung der Endkunden-Bedürfnisse entscheidend ist. Das bedeutet, dass erfolgreiche Unternehmen im FVK-Markt nicht nur ihre direkten Kunden kennen (sollten), sondern auch deren Kunden, also die Endkunden. In Europa ist der Anteil an der gesamten Produktionsmenge je Land sehr unterschiedlich. Die bedeutendsten Herstellerländer der FVK-Produktion sind derzeit Spanien, Italien, Deutschland, UK und Frankreich. In diesen Ländern werden insgesamt derzeit etwa zwei Drittel der Gesamtproduktionsmenge Europas hergestellt. Hierzu muss aber angemerkt werden, dass mangels Datenmaterial etliche osteuropäische Länder mit hohem Wachstumspotenzial in der Betrachtung noch gar nicht erfasst sind. Die Anwendungen in einzelnen Ländern sind insgesamt durchaus verschieden: So spielen in skandinavischen Ländern z. B. der Bootsbau, die Rohrherstellung und Behälter eine starke Rolle. Letztere haben ebenfalls in Italien und Spanien einen hohen Stellenwert. In Deutschland dominieren dagegen immer noch der Automobil- und der Windenergiebereich.

20 20 3 Grundlagen Anwendungen und Verfahren Etwa ein Viertel der gesamten produzierten GFK-Menge in Europa sind duroplastische SMCund BMC-Halbzeuge. Hauptanwendungen finden sich im Automotive-Sektor: Bei SMC-Teilen vor allem im Exterieur-Bereich sowohl für PKW als auch für LKW, bei BMC vor allem für Fahrzeugscheinwerferreflektoren bzw. generell für Elektroteile. Mit fast einem Drittel der GFK-Produktion sind die nicht (bzw. nur gering) automatisierten so genannten offenen Verfahren Handlaminieren und Faserspritzen immer noch die dominierende Herstellungspraxis. Für die vielen kleinen Verarbeiter, die einen großen Marktanteil ausmachen, geben dafür die relativ geringen Investitionskosten und der geringe Werkzeugaufwand den Ausschlag. Produziert werden mit den offenen Verfahren oft Spezialaufträge mit geringen Stückzahlen. Dies sind primär großflächige Teile (z. B. Segelflugzeuge, Sportboote) sowie Anwendungen vor allem in den Bereichen Bau (z. B. Maschinengehäuse für Windkraftanlagen), Nutzfahrzeuge und Freizeitmobile. Die Produktion von den mit geschlossenen RTM-Verfahren hergestellten Teilen in Europa wächst überdurchschnittlich. Dabei werden für einige Anwendungen die gerade erwähnten offenen Verfahren nach und nach komplett substituiert (z. B. Rotorblätter von Windkraftanlagen). Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist vor allem die Produzierbarkeit beidseitig glatter Flächen, die bei offenen Verfahren so nicht möglich ist. Mit dem so genannten Pultrusionsverfahren werden GFK-Profile für den Transport- und vor allem Bausektor hergestellt (z. B. Brücken, Kabelkanäle). Die Wickel- und Schleuderverfahren werden vor allem zur Produktion von Rohren und Tanks eingesetzt. Neben den genannten Anwendungen mit duroplastischer Matrix, werden primär in der Automobilindustrie auch thermoplastische Formmassen und Halbzeuge eingesetzt: langfaserverstärkte Thermoplaste und glasmattenverstärkte Thermoplaste. Die letztgenannten vor allem für Hochleistungsverbundwerkstoffe. Neben den GFK spielen vor allem auch naturfaserverstärkte und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (NFK bzw. CFK) eine immer wichtigere Rolle im FVK-Segment. Aus Kundensicht sind es meist die spezifischen Materialeigenschaften, die den Ausschlag geben, entsprechende Bauteile zu kaufen. Die den sogenannten Biowerkstoffen zuzuordnenden NFK werden vor allem im Automobil-, Bau- und Möbelbereich eingesetzt, CFK primär für den Flugzeugbau sowie für den Windkraft-, Sport- und Transportbereich Marktchancen Das Anliegen aller FVK-Marktteilnehmer ist es, die sich bietenden Wachstumspotenziale, aufgrund möglicher Produkt- und Prozessinnovationen und aufgrund der Substituierbarkeit anderer Werkstoffe (z. B. Stahl und Aluminium), ausnutzen zu können. Chancen ergeben sich dabei vor allem aus der weiterhin kontinuierlich steigenden Anforderung unterschiedlicher Anwendungsindustrien nach Leichtbau-Lösungen. Diese Anforderung resultiert aus dem Druck auf die Industrie, insbesondere zur Energie- aber auch zur Kosteneinsparung, immer leichtere Strukturen bei gleicher Festigkeit zu produzieren. Die derzeit große Herausforderung ist es, die vermutete Vorteilhaftigkeit der Werkstoffe hinsichtlich einer besseren gesamtheitlichen Nachhaltigkeit auch nachweisen zu können. Dies