Leicht, robust und individuell

Werkstoffe

Faserverstärkte Kunststoffe – Eine interessante Kombination von Materialeigenschaften macht faserverstärkte Kunststoffe in vielen Fällen zu einer echten Alternative zu Metallen.

09. September 2009

Die wichtigste Werkstoffgruppe im Maschinenbau sind nach wie die Metalle: Sie sind jahrzehntelang erprobt, vielseitig einsetzbar, langlebig und robust. Zunehmend zum Einsatz kommen heute jedoch die Kunststoffe. Speziell faserverstärkte Kunststoffe sind den Metallen oft hinsichtlich Festigkeit, Standzeit und Robustheit ebenbürtig. Hinzu kommen ein geringeres Gewicht sowie vielfach eine überraschend hohe Temperaturbeständigkeit. Zudem lassen sich komplexe Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen oftmals aus weitaus weniger Einzelteilen herstellen. Sie sind auch in aggressiven Medien oder in einer solchen Umgebung dank ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Korrosion problemlos einsetzbar. Immer häufiger kommen faserverstärkte Kunststoffe deshalb in Anwendungsfeldern zum Einsatz, die bisher metallischen Werkstoffen vorbehalten waren.

Dies zeigt ein Beispiel aus der Lebensmittelverarbeitung, das der Ingenieurdienstleister Adete aus Kaiserslautern realisiert hat: Bei der Produktion von Würsten im Metzgereigewerbe müssen die Wurstenden mit je einem Metallclip verschlossen werden. Dazu verjüngt die Abfüllmaschine die gefüllte Wursthülle, setzt zwei Aluclips auf und staucht sie mechanisch mithilfe eines Hebels in schneller Folge mit Kräften bis zu 12,5 Kilonewton. Dieser Klipphebel besteht üblicherweise aus Aluminium und ist deshalb aufgrund der täglich eingesetzten aggressiven Reinigungsmittel schon nach rund sechs Monaten derart korrodiert, dass er den Klemmvorgang nicht mehr sicher ausführen kann und daher ausgetauscht werden muss. Die Spezialisten für Kunststoff- und Faserverbundtechnik ersetzten dieses Modell durch einen Kipphebel aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem dieses Problem nicht auftritt. Dabei ist dieses Material ebenso fest wie das bisher eingesetzte Aluminium, ermöglicht jedoch einen deutlich schnelleren Durchsatz aufgrund des um etwa 30 Prozent niedrigeren Gewichtes.

Große Gestaltungsfreiheit

Ein weiterer Vorteil der faserverstärkten Kunststoffe ist ihre große Flexibilität bei der Gestaltung der Bauteile: Im Gegensatz zu Metallen erlauben sie neben der geometrischen auch eine werkstoffliche Gestaltung, mit der sich die örtliche Beanspruchungssituation im Bauteil exakt an die späteren Gegebenheiten anpassen lässt. Wichtige Parameter dabei sind die Faserorientierung, die Schichtfolge, die Dicke der jeweiligen Einzelschichten, der Faseranteil sowie die Werkzeug- und Halbzeugauswahl. Die gezielte Nutzung der Richtungsabhängigkeit ermöglicht daher eine sehr hohe und im gesamten Bauteil gleichmäßige Werkstoffausnutzung.

Daneben ermöglichen Kunststoffe auch eine Funktionsintegration, etwa bei der Integration einer Begleitheizung in den Schichtaufbau eines gewickelten Rohres im Apparatebau. Dies führt zu einem deutlich erhöhten Wirkungsgrad gegenüber einer außen am Rohr aufgelegten Heizung und schließt mechanische Beschädigungen beim Verlegen sicher aus.

Dank ihres breiten Einsatzspektrums im Leichtbau werden sich faserverstärkte Kunststoffe zunehmend auch im Maschinenbau durchsetzen. Eine zunehmende Rolle spielt dabei ein intelligentes Multi-Material-Design, also der gleichberechtigte Einsatz von Metallwerkstoffen neben Kunststoffen und anderen Materialien. So lassen sich Grenzen durchbrechen, die bisher als nicht überwindbar galten.

Dr.-Ing. Markus Steffens, Adete/bt

Erschienen in Ausgabe: 5-6/2009