Glasfaserverstärkter Kunststoff

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Glasfaserverstärkter Kunststoff, kurz GFK (engl. GRP = glass-fibre reinforced plastic), ist ein Faser-Kunststoff-Verbund aus einem Kunststoff und Glasfasern. Als Basis kommen duroplastische (z. B. Polyesterharz (UP) oder Epoxidharz) als auch thermoplastische (z. B. Polyamid) Kunststoffe in Frage.

Endlos-Glasfasern wurden erstmals 1935 industriell in den USA als Verstärkungsfasern hergestellt. Die Massenproduktion wurde in den 1930er Jahren von Games Slayter (Owens Corning) und anderen entwickelt – damals diente das Material vor allem der Isolierung von Häusern. Das erste Flugzeug aus GFK war der Fs 24 Phönix der Akaflieg Stuttgart aus dem Jahr 1957.[1]

GFK ist umgangssprachlich auch als Fiberglas bekannt. Das Wort Fiberglas ist ein Anglizismus, der sich aus fiberglass (AE) bzw. fibreglass (BE), dem englischen Wort für Glasfaser, gebildet hat. In der Nicht-Fachwelt wird oft nur von den Fasern gesprochen, wenn von GFK oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) die Rede ist. Immer sind aber die faserverstärkten Kunststoffe gemeint, denn ohne die gestalt- und oberflächengebende Kunststoff-Matrix wären die Bauteile gar nicht herstellbar.[2]

Eigenschaften und Anwendungsgebiete[Bearbeiten]

Eigenschaften

Fasertyp: E-Glasfaser
Matrixtyp: Epoxidharz
Faservolumenanteil 60 %
alle Angaben sind charakteristische
Durchschnittswerte

Grundelastizitätsgrößen
E_{\|} 44 500 N/mm2
E_{\perp} 13 000 N/mm2
G_{\perp\|} 5 600 N/mm2
G_{\perp\perp} 5 100 N/mm2
\nu_{\perp\|} 0,25
Dichte
\rho 2,0 g/cm3
Grundfestigkeit
R^{+}_{\|} 1 000 N/mm2
R^{-}_{\|} 900 N/mm2
R^{+}_{\perp} 50 N/mm2
R^{-}_{\perp} 120 N/mm2
R_{\perp\|} 70 N/mm2
Wärmeausdehnungskoeffizienten
\alpha_{\|} 7·10−6 1/K
\alpha_{\perp} 27·10−6 1/K
GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 50x (bez. auf Mittelformatnegativ)
GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 200x (bez. auf Mittelformatnegativ)
GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 500x (bez. auf Mittelformatnegativ)
GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 1000x (bez. auf Mittelformatnegativ)

Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind ein kostengünstiger und dennoch sehr hochwertiger Faser-Kunststoff-Verbund. In mechanisch hoch beanspruchten Anwendungen findet sich glasfaserverstärkter Kunststoff ausschließlich als Endlosfaser in Geweben oder in UD-Bändern.

Verglichen mit Faser-Kunststoff-Verbunden aus anderen Verstärkungsfasern hat der glasfaserverstärkte Kunststoff einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul. Selbst in Faserrichtung liegt er unter dem von Aluminium. Bei hohen Steifigkeitsanforderungen ist er daher nicht geeignet. Ein Vorteil der Glasfaser im Verbund mit einer passenden Kunststoffmatrix liegt in der hohen Bruchdehnung und der elastischen Energieaufnahme. Deshalb ist er besonders für Blattfedern und ähnliche Bauteile geeignet.

Glasfaserverstärkter Kunststoff hat auch in aggressiver Umgebung ein ausgezeichnetes Korrosionsverhalten. Dies macht ihn zu einem geeigneten Werkstoff für Behälter im Anlagenbau oder auch für Bootsrümpfe. Die über der von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff liegende Dichte wird bei diesen Anwendungen in Kauf genommen.

Mit einer geeigneten Matrix hat glasfaserverstärkter Kunststoff eine gute elektrische Isolationswirkung, was ihn zu einem gut brauchbaren Werkstoff der Elektrotechnik macht. Besonders Isolatoren, die hohe mechanische Lasten übertragen müssen, werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Schaltschränke für den Außenbereich werden wegen der Beständigkeit und Stabilität des Materials häufig aus GFK gefertigt.

Marktlage[Bearbeiten]

Im Jahr 2012 wurden in Europa die folgenden Mengen an glasfaserverstärktem Kunststoff verarbeitet:

  • Behälter und Rohre, überwiegend im Faserwickel- und Schleuderverfahren: p506147147 ⋅ 106 kg
  • GMT und LFT (siehe Faser-Matrix-Halbzeuge): p506108108 ⋅ 106 kg
  • Kontinuierliche Verfahren, wie z. B. die Pultrusion: p506125125 ⋅ 106 kg
  • RTM-Verfahren: p506120120 ⋅ 106 kg
  • Pressen von SMC und BMC: p506258258 ⋅ 106 kg
  • Verfahren mit offener Form, wie z. B. Handlaminieren oder Faserspritzen: p506235235 ⋅ 106 kg
  • andere Verfahren: p5061717 ⋅ 106 kg

Insgesamt wurden 1.010.000.000 kg glasfaserverstärkter Kunststoff in Europa im Jahr 2012 verarbeitet (Quelle: AVK).

Sorten[Bearbeiten]

Einige typische Sorten glasfaserverstärkter Kunststoffe sind:

EN 60893-3 NEMA LI 1-1998 MIL
Epoxidharz-Laminat EP GC 202 FR-4 MIL-I-24768/27 (GEE-F)
Epoxidharz-Laminat EP GC 204 FR-5 MIL-I-24768/28 (GEB-F)
Epoxidharz-Laminat EP GC 201 G-10 MIL-I-24768/2 (GEE)
Epoxidharz-Laminat EP GC 203 G-11 MIL-I-24768/3 (GEB)
Melaminharz-Laminat MF GC 201 G-5 MIL-I-24768/8 (GMG)
Melaminharz-Laminat MF GC 201 G-9 MIL-I-24768/1 (GME)
Phenol-Formaldehydharz-Laminat PF GC 301 G-3 MIL-I-24768/18 (GPG)
Polyesterharz-Laminat UP GM 201 GPO-1 MIL-I-24768/4 (GPO-N-1)
Polyesterharz-Laminat UP GM 202 GPO-2 MIL-I-24768/5 (GPO-N-2)
Polyesterharz-Laminat UP GM 203 GPO-3 MIL-I-24768/6 (GPO-N-3)
Polyesterharz-Laminat GPO-1P MIL-I-24768/31 (GPO-N-1P)
Polyesterharz-Laminat GPO-2P MIL-I-24768/32 (GPO-N-2P)
Polyesterharz-Laminat GPO-3P MIL-I-24768/33 (GPO-N-3P)
PTFE-Laminat MIL-I-24768/7 (GTE)
Silikonharz-Laminat SI GC 201 G-7 MIL-I-24768/17 (GSG)

Typische Bauteile[Bearbeiten]

Kurz- und langfaserverstärkte Bauteile[Bearbeiten]

Kurzfaserverstärkte Bauteile finden vor allem Verwendung als Verkleidungen, oder werden wegen der guten Formbarkeit und großen Gestaltungsfreiheit hergestellt. Kurzfaserverstärkte Bauteile weisen meist ein quasiisotropes Verhalten auf, da die Kurzfasern zufällig verteilt vorliegen. Eine schwach ausgeprägte Orthotropie kann beim Spritzguss von kurzfaserverstärkten Thermoplasten entstehen. Die Fasern orientieren sich dabei entlang der Fließlinien. Die Beimischung von Kurzglasfasern zu Thermoplasten verbessert deren Steifigkeit, Festigkeit und insbesondere deren Verhalten bei hohen Temperaturen. Das Kriechen kurzfaserverstärkter Thermoplaste ist geringer als das des Grundmaterials.

Endlosfaserverstärkte Bauteile[Bearbeiten]

Endlosfaserverstärkte Bauteile werden mit definierten Materialeigenschaften hergestellt. Immer häufiger finden sie Verwendung im Leichtbau.

Dabei werden als Matrix meist Duroplaste verwendet. Zum Beispiel wurde unter dem Begriff Fiberglas ein Verbundwerkstoff aus gewobenen Glasfasermatten und Polyesterharz bekannt.

Anwendungen (Auswahl)[Bearbeiten]

  • Bewehrung im Betonbau
  • Blattfedern
  • Fahrzeugteile (z. B. Motorhauben, Kotflügel)
  • Hüllen und Umwandungen
  • Kleinformteile
  • Kletterhilfen für die Fassadenbegrünung mit Kletterpflanzen
  • Profile und Bewehrungen
  • Rohre
  • Rotorblätter für Windenergieanlagen
  • Rümpfe und Tragflächen von Segelflugzeugen oder Hochleistungs-Motorflugzeugen
  • Rümpfe von Booten und Yachten
  • Spielplatzrutschen / Rutschbahnen
  • Verkleidungen und Fassaden
  • Wurfarme für Armbrüste
  • Angelbauteile
  • Ausleger für Straßenbahnoberleitungen
  • Hangar- und Industrietore
  • Leiterplatten

Probleme bei der Herstellung und Verarbeitung[Bearbeiten]

Anfallender Staub bei der Bearbeitung eines GFK-Bauteils
Nachweis der laminaren Luftströmung zur Absaugung der Styroldämpfe in einer Fertigungshalle für GFK-Yachten

In der Aushärtungsphase der Harze werden Styroldämpfe freigesetzt. Diese reizen die Schleimhäute und Atemwege. Deshalb schreibt die GefStoffV einen maximalen Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) von 86 mg/m³ vor. In bestimmten Konzentrationen kann sogar ein explosionsfähiges Gemisch entstehen. Bei der Weiterbearbeitung von GFK-Bauteilen (Schleifen, Schneiden, Sägen) entstehen Feinstäube und Späne mit glasigen Filamenten sowie klebrige Stäube in erheblichen Mengen. Diese beeinträchtigen die Gesundheit von Menschen und die Funktionalität der Maschinen und Anlagen. Damit Arbeitsschutzvorschriften eingehalten und die Wirtschaftlichkeit nachhaltig gewährleistet werden kann, ist die Installation von effektiven Absaug- und Filteranlagen nötig.[3]

Literatur[Bearbeiten]

Recycling[Bearbeiten]

Recycling-Code für glasfaserverstärkten Kunststoff

Der Recycling-Code für glasfaserverstärkten Kunststoff ist 07.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Glasfaserverstärkter Kunststoff – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. H. Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Springer, 2005.
  2. AVK - Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. (Hrsg.): Handbuch Faserverbund-Kunststoffe. Vieweg + Teubner, 2010.
  3. Türschmann/Jakschik/Rother: White Paper zum Thema "Reine Luft bei der Fertigung glasfaserverstärkter Kunststoffteile (GFK)", März 2011