Eigenschaften und Vorteile
GFK ist ein vielseitiger Verbundwerkstoff, der aus einer Kombination von Glasfasern und Polymeren oder Kunststoffen hergestellt wird und eine Reihe von Vorteilen gegenüber Materialien wie Metall oder Beton bietet. Darüber hinaus ist GFK anpassungsfähiger als andere, nicht verstärkte Kunststoffe wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Nylon oder Polypropylen.
GFK bietet eine Vielzahl wünschenswerter Eigenschaften, darunter:
- Chemische Beständigkeit: GFK-Materialien sind gegen eine Reihe verschiedener Chemikalien beständig.
- Korrosionsbeständigkeit: GFK eignet sich für den Einsatz unter rauen Bedingungen, da es aggressiven Umgebungen standhalten kann und auch Chloridionen widersteht. Dies macht GFK zu einer guten Alternative zu Aluminium, Stahl oder Holz und bietet eine dauerhafte, langfristige Lösung, die die mit vielen anderen Materialien verbundenen Korrosionsprobleme vermeidet.
- Einfach zu verarbeiten: GFK ist einfach zu verarbeiten, da es vor Ort mit handelsüblichen Werkzeugen nach genauen Spezifikationen oder komplexen Layouts zugeschnitten werden kann, ohne dass seine vorteilhaften Eigenschaften beeinträchtigt werden.
- Flammhemmend: Einige GFK-Materialien sind in flammhemmenden Varianten erhältlich.
- Hohe Festigkeit: GFK bietet eine Zugfestigkeit, die gleich oder höher ist als die von gleichwertigen Stählen. Da diese Materialien zudem leicht sind, bieten sie ein beeindruckendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht.
- Hohe Schlagfestigkeit: Die Widerstandsfähigkeit von GFK gegenüber plötzlichen und starken Belastungen bedeutet, dass es sich nicht dauerhaft verformt und nach einem Aufprall wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, ohne dass eine kostspielige Reparatur oder ein Austausch erforderlich sind.
- Inert, nicht-leitend und nicht-brennend: GFK eignet sich für den Einsatz an Orten, an denen elektrische Gefahren ein Problem darstellen könnten, da es inert, nichtleitend und funkenfrei ist. Die elektrische Transparenz von GFK bedeutet, dass es immun gegen elektromagnetische Felder oder Radiowellen ist und daher gut für die elektromagnetische oder thermische Isolierung geeignet ist, während die funkenfreien Eigenschaften bedeuten, dass es in der Gegenwart von brennbaren Gasen verwendet werden kann.
- Geringes Gewicht: Das geringe Gewicht von GFK im Vergleich zu Stahl bedeutet, dass es leicht zu transportieren, zu schneiden oder zu manövrieren ist, was das Risiko von Verletzungen bei der manuellen Handhabung verringert und die Transportkosten senkt.
- Langer Lebenszyklus: Die erwartete Lebensdauer von GFK-Materialien beträgt unter normalen Betriebsbedingungen mehr als 20 Jahre, obwohl die Materialien in dieser Zeitspanne eine gewisse Verfärbung aufweisen können.
- Geringer Wartungsaufwand: Da es sich bei GFK um ein langlebiges Material handelt, müssen weniger Mittel für Wartung, Sanierung oder Renovierung aufgewendet werden.
- Radartransparent: GFK-Materialien stören Radarsysteme nicht
GFK-Materialien bieten darüber hinaus noch eine Reihe weiterer wichtiger Vorteile: Sie fühlen sich warm an, haben einen großen Betriebstemperaturbereich und sind resistent gegen Insektenbefall (im Gegensatz zu Holz beispielsweise).
Die Vorteile von GFK-Materialien erstrecken sich auch auf ihre Herstellung, da sie mit energiesparenden Herstellungsverfahren produziert werden können und auch wiederaufbereitet und recycelt werden können, um Energie und Rohstoffe für die Zementherstellung zu liefern.
Herstellung von GFK
GFK-Produkte werden aus glasfaserverstärkten Polymeren hergestellt, häufig mit einer duroplastischen Polyester- oder Vinylesterharzmatrix. Mit Hilfe eines Katalysators wird eine chemische Reaktion eingeleitet, die das Harz irreversibel härtet. Während des Produktionsprozesses wird das Harz durch die Einbringung von Glasfasern verstärkt. Diese Glasfasern können in Form von langen oder geschnittenen Strängen oder als gewebte Fasermatten vorliegen.
Die Produktionsmethoden für GFK können manuell oder automatisiert mit Robotern erfolgen – wie unten dargestellt. Jedes Verfahren bietet Vorteile für unterschiedliche Formen, Eigenschaften und Verwendungszwecke der Endprodukte.
Gängige Beispiele für Produktionsverfahren für GFK sind:
1. GFK-Formenbau:
Das GFK-Formen ist ein weitgehend manuelles Verfahren, bei dem eine offene Form hergestellt wird, wobei die Glasfaserstränge mit einem kammähnlichen Werkzeug über die Form gewebt werden, um ein Skelett der fertigen Struktur zu schaffen; dann wird ein katalysiertes Harz mit der gewünschten Farbe und Qualität in die erhitzte Form gegossen und ausgehärtet. Zum Abschluss des Prozesses wird eine Schicht aus Aluminiumoxidkorn auf die Oberseite des Teils aufgetragen.
2. GFK-Pultrusion:
Dieses hochmechanisierte Verfahren wird zur Herstellung kontinuierlicher GFK-Verbundstoffbahnen verwendet, die in der Regel für tragende Anwendungen wie Kanäle oder Träger eingesetzt werden. Diese Technik wird seit über fünfzig Jahren zur Herstellung von Profilen mit präzisen und gleichmäßigen Querschnitten und vorhersehbaren mechanischen Eigenschaften eingesetzt. Für das Verfahren werden Glasfaserrovings verwendet, die von mehreren Spulen zugeführt werden. Glasfaserrovings sind Bündel aus parallel angeordneten Glasfasern, die durch eine Schlichte (d.h. eine Imprägnierflüssigkeit) zusammengehalten werden. Verstärkungen, Glasfasermatten und ein "Oberflächenschleier" werden dann durch ein Harzbad und in eine Hochtemperatur-/Hochdruckform gezogen, in der das Harz geformt und ausgehärtet wird, bevor es auf die gewünschte Länge geschnitten wird. Die fertigen Produkte sind leicht, stabil und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, die traditionell mit Metallen und Hölzern ausgeführt werden. Korrosionsbeständig und wartungsfrei, bieten diese pultrudierten Produkte langfristige und kostengünstige Lösungen.
3.GFK-Hand-/Spritzformen:
Das Handauflegeverfahren ist eine manuelle Produktionsmethode, die nur sehr wenige Werkzeuge benötigt. Es wird typischerweise für die Produktion von Kleinserien und für maßgeschneiderte Produkte verwendet. Die Qualität des GFK hängt von den Fähigkeiten des Arbeiters ab, der es herstellt. Die Glasfaserverstärkung besteht aus einer geschnittenen oder gewebten Litzenmatte und kann auch eine innere Kernmatte enthalten, die ein Sandwich zwischen den Glasschichten bildet und für zusätzliche Festigkeit sorgt. Diese Laminate werden auf die gewünschte Größe und Form zugeschnitten, bevor sie auf die Oberfläche einer offenen Form gelegt werden, die mit Wachs beschichtet wurde, das als Trennmittel dient. Das Harz wird dann mit einem Pinsel oder einer Rolle aufgetragen, bis das Laminat gesättigt ist. Das Harz und das Laminat werden in einem warmen und belüfteten Trockenraum ausgehärtet, bis es fest wird. Das kann mehrere Stunden dauern. Danach kann das Teil aus der Form genommen und je nach Bedarf beschnitten, beschichtet oder poliert werden. Eine erste Gelcoat-Schicht kann auf die Form aufgetragen werden, bevor das Verstärkungslaminat aufgelegt wird, was die Oberflächengüte verbessern kann. Dazu muss die Oberseite oder die sichtbare Oberfläche des fertigen Teils mit der Form in Berührung kommen. Das Spray-up-Verfahren ähnelt der manuellen Legetechnik, ist aber halbautomatisch. Bei diesem computergesteuerten Verfahren wird eine Druckspritzpistole mit einem integrierten Glasfaserschneidkopf verwendet. Das Laminat wird in einem kontinuierlichen Prozess auf die Form aufgetragen, während der Schneidkopf es in Rovings schneidet und die Spritzpistole einen Harzstrom in die Form leitet.
4.GFK-Harz-Transferguss:
Zur Herstellung kleinerer Teile in Produktionsmengen mit gleichbleibend hoher Qualität wird beim Harz-Transfergießen ein Harzgemisch unter Druck in eine Form gespritzt.
5. GFK-Pressverfahren:
Bei diesem Verfahren wird ein offener Formhohlraum verwendet, in den ein vorgewärmtes Polymer eingebracht wird. Anschließend wird die Form mit einem Verschlussstopfen verschlossen, so dass das Material mit allen Bereichen der Form in Kontakt kommt, bevor es komprimiert wird. Anschließend wird es ausgehärtet, um die gewünschte Form zu erhalten.
6. GFK-Langfaser-Spritzgießen:
Dieses hochautomatisierte Verfahren wird in der Regel für größere Teile verwendet, die mit Präzision, hoher Festigkeit/Steifigkeit und geringem Gewicht hergestellt werden müssen. Eine Polyurethan-Polymermatrix wird zusammen mit langen Glasfasern verwendet, die von einem Roboter in die Form eingebracht werden, bevor sie komprimiert und ausgehärtet werden und die gewünschte Form erhalten.
Anwendungen
Glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe finden sich in einer Vielzahl von Industriezweigen, vom Bauwesen über Konsumgüter und die Elektroindustrie bis hin zum Transportwesen. Das geringe Gewicht und die korrosionsbeständigen Eigenschaften in Verbindung mit technischer Überprüfung und kreativen Designs bedeuten, dass eine Vielzahl von Produkten ganz oder teilweise aus GFK-Materialien hergestellt wird.
Zu den Beispielen für Produkte und Gegenstände gehören Dachrinnen, Gewächshauskonstruktionen, Laternenpfähle, Schilder, Stromschienenstützen, Leitern, Zeltstangen, Radioantennen, Werkzeuggriffe, Sportartikel, Zaunpfähle, Regenschirmschäfte, rutschfeste Bodenbeläge, Handläufe, Rohre, Strukturträger, Treppen, Trittplatten, Gepäckträger, Sitze für öffentliche Verkehrsmittel, Blattfedern und vieles mehr.
Kriechverhalten von GFK-Verbundwerkstoffen
Wie bei Metallen und Legierungen kann es auch bei GFK-Verbundwerkstoffen zu Kriechschäden kommen. Das Kriechphänomen bei GFK-Verbundwerkstoffen tritt bei anhaltender mechanischer Belastung auf und kann zu einer dauerhaften Verformung eines Teils führen.
Fazit
GFK-Verbundwerkstoffe lassen sich mit einer Vielzahl unterschiedlicher Methoden leicht herstellen und finden sich in einer Vielzahl von Anwendungen in vielen verschiedenen Branchen. Sie werden häufig in Konsumgütern und vielen anderen Alltagsgegenständen eingesetzt und bieten eine Reihe von Vorteilen wie Chemikalien-, Korrosions- und Schlagfestigkeit. Sie sind leicht, schwer entflammbar und haben eine hohe Festigkeit. Außerdem sind sie inert, nichtleitend, nicht funkenbildend und radartransparent.
GFK-Verbundwerkstoffe können nach längerer Beanspruchung kriechen, aber der geringe Wartungsaufwand und die langen Lebenszyklen, die mit diesen Materialien verbunden sind, machen sie zu einem begehrten Material für eine Reihe verschiedener Produkte.