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FACHINFORMATIONEN
CARBON COMPOSITE (CFK) - KOHLEFASERVERBUNDWERKSTOFFE
Autor: Sebastian Nöll
Letzte Änderung: 16.12.2010
Technologiemonitoring
Thema:
Carbon-Composites - Kohlefaserverbundwerkstoffe
Autor: Sebastian Nöll Letzter Stand: 28.06.2010
Inhaltsverzeichnis
1. Bedeutung der Technologie.
1.1. Geschichte der Kohlefaserverbundwerkstoffe (CFK)
1.2. Marktentwicklung.
2. Aktueller Stand der Technik.
2.1. Ausgangsmaterialien und Aufbau.
a) Kohlefaser
i. Herstellung und Eigenschaften.
ii. Faseranordnung.
b) Matrix.
i. Eigenschaften.
ii. Matrixkunststoffe.
2.2. Herstellungsverfahren und Anwendungsbeispiele.
a) Handlaminierverfahren.
b) Vakuumpressen.
c) Wickelverfahren.
d) Faserspritzverfahren.
e) Pultrusion (Strangziehverfahren)
f) Injektionsverfahren.
g) Autoklavverfahren.
h) Pressverfahren.
i) Vergleich einiger Herstellverfahren.
2.3. Einsatzbereiche und Anwendungen.
a) Bau.
b) Energietechnik.
c) Maschinenbau.
d) Anlagenbau.
e) Verkehrstechnik.
f) Luft- und Raumfahrt
g) Medizintechnik.
h) Sport und Freizeit
3. Entwicklungstendenzen.
4. Marktpotential
5. Berufsgruppen des Handwerks.
6. Weiterbildungs- und Qualifizierungsmöglichkeiten.
7. Umsetzungsmaßnahmen.
7.1. Informationen / Literatur
7.2. Fachmessen.
7.3. Hersteller und Anbieter
7.4. Seminare / Informationsveranstaltungen.
7.5. Fachberatung.
8. Standardfragen - FAQ
Ist es möglich Carbon zu recyceln? / Wo kann ich Carbon entsorgen?.
Wird die Entwicklung von Neuprodukten aus Carbon gefördert?.
Ist die Herstellung von Carbon nicht um einiges energieintensiver als Aluminium?.
Ist Carbon umweltschädlich?.
9. Quellen.
•1.1. Geschichte der Kohlefaserverbundwerkstoffe (CFK)
Die Grundlagen des Leichtbaus sind so alt wie das Leben auf der Erde: Pflanzen tragen ihre Blüte auf einem „Leichtbaustengel" und die Knochen der Lebewesen, mit dem zellartigen Kern, sind ebenfalls anisotrope Strukturen.
Bereits vor Tausenden von Jahren verstärkten die alten Ägypter ihren Baustoff Lehm mit Sehnen von Tieren oder mit Fasern. In den Tempelanlagen von Luxor ist dies heute noch gut zu sehen.
Die Geschichte der Kohlefaser ist ca. 120 Jahre jung. Sie beginnt um 1880, damals stellte erstmals Thomas Alva Edison durch Pyrolyse (thermische Zersetzung chemischer Verbindungen) von pflanzlichen Stoffen bzw. Kunstseide Kohlenstofffasern für die ersten Glühlampen her. Nach der Erfindung der Metallwendel sank das Interesse an diesem Material.
In den 1940er Jahren wurden erstmals in den USA Glasfasern zur Lagefixierung in Harz eingebettet.
Aber erst in den 1950er Jahren griff man vermehrt auf die Kohlenstofffaser zurück, Grund war die Forderung der Luftfahrtindustrie nach festen und gleichsam leichten Bauweisen. Ein großer Schritt gelang 1955 mit der Herstellung von Fasern mit gerichteten Kristallstrukturen im englischen Royal Aircraft Establishment. Zuerst fand der Werkstoff Einzug in die Luft- und Raumfahrt, seit 1990 wird CFK (Kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff) auch in anderen Bereichen angewendet.
[Quelle: http.1], [Quelle: http.2]
•1.2. Marktentwicklung
Tatsächlich gilt CFK als Werkstoff der Zukunft. In der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeug- und Maschinenbau ist CFK wegen seiner weitreichenden Einsatz- und Einsparmöglichkeiten längst etabliert. Bei gleicher Festigkeit sind CFK-Bauteile rund 30 Prozent leichter als das bislang häufig verwendete Aluminium. Auch bei Sportgeräten, bei Fahrradrahmen, den Masten für Windsurfer oder den Schäften von Golfschlägern findet CFK bereits Verwendung.
[Quelle: http.3]
Der Ausbau der zukunftsgerichteten CFK-Technologie wird nicht nur bundesweit einen Entwicklungsschub ermöglichen, sondern auch die Wettbewerbsfähigkeit der international agierenden Unternehmen im globalen Markt stärken und ausbauen. Das wiederum hat einen positiven Effekt auf regionale sowie überregionale Schaffung und Sicherung von Arbeitsplätzen - insbesondere bei Transportmittelbauern und ihren Zulieferern.
[Quelle: http.4]
Abbildung: Marktentwicklung des CFKs
Immer noch werden in über 90% der Composites in Europa Glasfasern als Verstärkungsmaterial eingesetzt. Spezifische Eigenschaften von Kohlenstofffasern aber auch von Naturfasern bieten aber diesen Materialien grundsätzlich die gleichen Zukunftsperspektiven.
Die Wahl für das für die jeweilige Verwendung „beste" Material hängt neben dem Preis von Kriterien wie Festigkeit, Steifigkeit, aber auch Schwingfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Bruchdehnung ab. Ein gegenüber Glasfasern typischerweise höherer Preis für Kohlenstofffasern kann sich gegebenenfalls. für bestimmte Hochleistungs-Einsatzgebiete rechnen. Als positive
Entwicklung seitens der Verarbeiter wird die jetzige Verfügbarkeit dieser Fasern am Markt gesehen und die damit grundsätzlich verbundene Möglichkeit, neue Anwendungen zu erschließen.
[Quelle: http.5]
Insgesamt sind trotz zu erwartendem zweistelligen Produktionsmengenwachstum zumindest mittelfristig Engpässe und niedrige Preissenkungsspielräume die Folge. Wertmäßig ist der Umsatz mit Bauteilen aus CFK (Carbon- bzw. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe) etwa zehnmal so groß wie der Umsatz im Carbon-Fasermarkt.
Während heute Glasfasern als Verstärkungsmaterialien noch absolut dominieren, gefolgt von einem kleinen Anteil Naturfasern, sehen auch etliche Verarbeiter eine mittelfristig kleine, aber doch eindeutige Verschiebung der Marktanteile zugunsten des CFK-Einsatzes
[Quelle: http.6]
Insbesondere von dem Hintergrund der zu erwartenden Steigerungsraten beim Einsatz von CFK-Werkstoffen - beispielsweise sollen sie bei Airbus-Großraumflugzeugen von derzeit 20 auf künftig 50 Prozent ansteigen - wird das Ausmaß des Forschungs- und Entwicklungsgebietes deutlich.
[Quelle: http.7]
Hochleistungsverbundkunststoffe werden dort eingesetzt, wo herkömmliche Werkstoffe die gestellten Anforderungen nicht mehr erfüllen können. Die Entwicklungsziele sind dabei vor allem höhere Arbeitsgeschwindigkeiten, hohe Fertigungsgenauigkeiten oder geringer Energieeinsatz bei gleichzeitig hoher Leistung. Die optimale Nutzung der herausragenden Werkstoffeigenschaften setzt allerdings entsprechendes Anwenderwissen sowohl bei Konstrukteuren und Designern als auch bei den Fertigungs- und Bearbeitungstechnikern voraus. Erst durch die richtige Auswahl der Einzelkomponenten faserverstärkter Kunststoffe (z.B. Faserart und -länge, Harzsystem) kann der Werkstoff gezielt an die Bedürfnisse des Endproduktes angepasst und - auch bezüglich der Kosten - optimiert werden.
[Quelle: http.8]
Durch ihr geringes Gewicht sind sie für den Leichtbau von Großstrukturen prädestiniert - Die erzielbare Gewichtseinsparung schont Ressourcen und Umwelt. Zugleich zeichnen sie sich neben sehr hoher Festigkeit und Steifigkeit durch Beanspruchbarkeit, gute Dämpfungseigenschaften sowie gutmütiges Ermüdungsverhalten aus und ermöglichen neue Wege im gesamten Produktdesign. Diese Eigenschaften machen sie zudem für den Windenergieanlagenbau besonders attraktiv.
[Quelle: http.9]
Abbildung: Vergleich von Werkstoffkennwerten
[Quelle: http.10]
Nachdem der Aufbau von Strukturen bisher - bedingt durch kleine und kleinste Stückzahlen - in aller Regel in Handarbeit erfolgte, haben die Entwicklungen insbesondere im Flugzeugbau die automatische Fertigung von Komponenten ein großes Stück vorangebracht. Erstmals ist damit absehbar, dass Kohlefaserverbundwerkstoffe auch bei "niedrigpreisigen" Massenprodukten wettbewerbsfähig zum Einsatz kommen können.
•2.1. Ausgangsmaterialien und Aufbau
[Quelle: http.10]
Durch Einbetten von Fasern mit höherem E-Modul und höherer Bruchdehnung / -festigkeit werden die Eigenschaften der Matrix verbessert, ohne zusätzliche Gewichtserhöhung. Besonderen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben:
- die Faserorientierung
- die Faserbenetzung (Adhäsion)
- der Herstellungsprozess
- die Verträglichkeit der Werkstoffpaarung (Diffusions- und Ausdehnungsverhalten)
- die Volumenverteilung:
[Quelle: http.11]
•a) Kohlefaser
Kohlefasern sind industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die durch Pyrolyse (eine thermo-chemische Spaltung organischer Verbindungen, bei hohen Temperaturen von 500-900°C) in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden. Man unterscheidet isotrope und anisotrope Typen:
isotrope Fasern besitzen nur geringe Festigkeiten und geringere technische Bedeutung, anisotrope Fasern zeigen hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung.
Eine Kohlenstoff-Faser hat einen Durchmesser von etwa 5-8 Mikrometer. Üblicherweise werden 1.000 bis 24.000 Einzelfasern (Filamente) zu einem Bündel (Roving) zusammengefasst, das auf Spulen gewickelt wird. Die Weiterverarbeitung erfolgt zum Beispiel auf Webmaschinen oder Wirkmaschinen zu textilen Strukturen.
Als Kurzschnittfasern können sie Polymeren beigemischt werden und über Extruder- und Spritzgussanlagen zu Kunststoffbauteilen verarbeitet werden.
[Quelle: http.12]
Kohlefaser (Carbonfaser) weist eine etwas höhere Zugfestigkeit und bedeutend höhere Steifigkeit auf als Glasfaser. Das spezifische Gewicht ist um ca. 30 Prozent niedriger. Kohlefaser eignet sich deshalb besonders für Leichtbauteile, bei denen extreme Festigkeiten bei gleichzeitig niedrigem Gewicht verlangt sind. Die Dauerfestigkeit bei dynamischer Belastung ist hervorragend. Aufgrund des leicht negativen Ausdehnungskoeffizienten lassen sich Bauteile herstellen, die sich unter Wärmebelastung nur gering oder gar nicht verformen. Kohlefaser ist elektrisch leitfähig.
[Quelle: http.13]
Die hohe spezifische Zugfestigkeit von Fasern erklärt sich durch die Kristallanordnung. Ein idealer Werkstoff besitzt ein regelmäßiges Gitter. In realen Materialen hingegen existieren Unregelmäßigkeiten, wie eingelagerte Fremdatome, Zwischengitteratome und unbelegte Gitterplätze. Insbesondere die Fehlstellen verschlechtern die Festigkeit eines Werkstoffs.
In diesen Faserverbundwerkstoffen sind die Fasern stets fester, als das Matrixmaterial. Dies hat den Vorteil, dass sich im Falle eines Faserbruchs die umgebende Matrix plastisch verformt und so Spannungsspitzen abgebaut werden.
[Quelle: http.14]
Die Anordnung der Kohlefasern lässt sich in 4 Strukturen gliedern:
Gewebe, Gelege, Geflechte und Gestricke
In die parallel verlaufenden Kettfäden wird rechtwinklig ein Schussfaden eingewebt. Es entsteht eine Leinwand-, Köper- oder Atlasbindung.
Abbildung: Gewebearten
[Quelle: http.15]
Im Gegensatz zu Geweben sind Gelege wesentlich besser drapierbar und haben im Verbund bessere mechanische Eigenschaften, da die Fasern in gestreckter Form vorliegen und die Ausrichtung der Fasern speziell für den jeweiligen Anwendungsfall definiert werden kann. Ein Gelege besteht aus mehreren Lagen parallel angeordneter Faserrovings. Die einzelnen Lagen unterscheiden sich in der Faserorientierung, deren Ausrichtung mit einem Winkel zur Produktionsrichtung angegeben wird (Produktionsrichtung: 0°-Lage). So gibt es zweilagige (biaxiale) Gelege, in denen die Ausrichtung der Fasern z.B. 0° und 90° (oder auch +45°/-45°) ist oder mehrlagige (multiaxiale) Gelege, mit einer Lagenausrichtung 90°, -45°, 0°, +45° (vierlagig) um nur zwei mögliche Beispiele zu nennen. Die Lagen sind zunächst nicht untereinander verbunden. Zur besseren Handhabung werden sie allerdings noch im Produktionsprozess miteinander verwirkt.
[Quelle: http.16]
Die Fäden eines Geflechts verlaufen im Winkel von 30 - 60° zur Abzugsrichtung spiegelbildlich.
Abbildung: Geflechtbeispiel
Es gibt zwei Ausführungen der Geflechte: Rund oder Flach (Litze). Ihr Einsatzgebiet sind schubbeanspruchte Klebnähte. In runder Ausführung ergeben sie einen Schlauch. Diesen kann man hervorragend zur Herstellung von Rohren mit veränderlichem Querschnitt benutzen. Dazu zieht man sie über die entsprechenden Formen, tränkt sie mit einer Matrix und lässt sie anschließend aushärten.
[Quelle: http.17]
In beiden Fällen entsteht durch Schlaufenbildung ein dreidimensionales Flächengebilde. Dadurch, dass die Fasern ohne gezielte Orientierung vorliegen und zusätzlich noch teuer sind, erklärt es sich von selbst, dass sie wenig verbreitet sind.
Abbildung: Gestrickarten
[Quelle: http.18]
•b) Matrix
Faserverbundwerkstoffe sind für extreme Belastungen bei gleichzeitig geringem Gewicht ausgelegt und müssen daher sehr hohen Ansprüchen genügen. Die Matrix übernimmt nicht nur die faserstützende und -schützende Funktionen ein. Die Matrix ist zugleich abdichtender Füllstoff.
Die Vielfalt der Matrixwerkstoffe ist nahezu unendlich und dem speziellen Anwendungsfall angepasst.
Die Matrix umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind. Ohne Matrixwerkstoff sind die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten der Verstärkungsfaser nicht nutzbar. Erst durch die geeignete Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Konstruktionswerkstoff.
Die Matrix bettet die Fasern. Betten meint dabei, dass sie die Fasern räumlich fixiert und die Lasteinleitung und Lastausleitung ermöglicht. Zusätzlich stützt die Matrix die Fasern, z. B. gegen Ausknicken bei faserparallelem Druck. Die Lastübertragung erfolgt über die Adhäsion zwischen Faser und Matrix. Sie kann über Normal- oder Schubkräfte erfolgen. Verbunde, bei denen keine Faser-Matrix-Haftung besteht, sind nur in Sonderfällen belastbar.
[Quelle: http.19]
Grundsätzlich unterscheidet man faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer (Thermoplast), duroplastischer (Duroplast) und elastischer (Elastomer) Matrix.
Die Wahl des Matrixsystems entscheidet über die Einsatzgrenzen des faserverstärkten Kunststoffs. Neben den mechanischen Eigenschaften der Matrix z. B. des Elastizitätsmoduls gibt es eine Reihe von weiteren Kriterien:
[Quelle: http.19]
Als Matrix sind grundsätzlich alle gängigen Thermoplasten verwendbar. Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix lassen sich nachträglich umformen oder verschweißen. Nach dem Abkühlen der Matrix sind faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix einsatzbereit. Sie erweichen jedoch bei erhöhter Temperatur. Mit zunehmendem Fasergehalt sinkt ihre Kriechneigung. Als thermoplastische Werkstoffe bei hohen Temperaturen eignen sich beispielsweise:
Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen jedoch einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Die Temperatureinsatzgrenze wird durch die Lage der Glasübergangstemperatur bestimmt. Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf.
Als Matrix kommen die folgenden Harze zur Anwendung:
Als typische Vertreter von Elastomeren als Matrix in faserverstärkten Kunststoffen sind Gummi und Polyurethan (PUR) zu nennen. Elastomere kommen, aufgrund ihrer geringen Steifigkeit, nicht in Strukturbauteilen zum Einsatz. Eine Ausnahme bilden schlaufenförmige Bauteile wie Keil- oder Zahnriemen.
[Quelle: http.19]
•2.2. Herstellungsverfahren und Anwendungsbeispiele
•a) Handlaminierverfahren
Das Handlaminieren ist das älteste, einfachste und am weitesten verbreitete Verfahren. Es genügen minimale technische Voraussetzungen, weshalb es hauptsächlich für kleinere Serien, einfachere Bauteilgeometrien und für den Formenbau angewandt wird. Typische Bauteile sind Segelflugzeuge, Flug-modelle, Boote, Behälter und Prototypen aller Art. Die Formen dazu werden ebenfalls handlaminiert. Bei Verwendung von Formenharzen lassen sich hohe Oberflächengüten erreichen. Die Aushärtung erfolgt fast immer drucklos bei Raumtemperatur. Erhöhte Temperaturen bei der Aushärtung sind nur dann erforderlich, wenn Formen und Bauteile später einer höheren Wärmebelastung ausgesetzt sind (> ca. 60 °C).
[Quelle: http.20]
•b) Vakuumpressen
Beim Vakuumpressen wird das zuvor handlaminierte Bauteil mit der Form in einen Foliensack geschoben (nur bei kleinen Teilen möglich) oder mit einer Folie abgedeckt, die am Formenrand luftdicht aufgeklebt wird. Durch Absaugen der Luft presst sich die Folie auf das Laminat und drückt es gegen die Form. Der max. erreichbare Druck ist der Umgebungs-Luftdruck und beträgt ca. 1 bar. Die P3-Pumpe von R&G beispielweise erzeugt ein Vakuum von ca. 0,9 bar, dies entspricht einem Preßdruck von 9 t/m2!
[Quelle: http.20]
•c) Wickelverfahren
Beim Wickelverfahren werden die Verstärkungsfasern auf einen Positivkern aufgewickelt. Dieses Verfahren eignet sich vorwiegend zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile wie Behälter, Rohre und Wellen. Mit mehrachsig bewegbaren Fadenführungen können auch kompliziertere Bauteile wie z.B. Rohrkrümmer gewickelt werden.
Man unterscheidet zwischen Drehmaschinen, Taumel- und Planeten-Wickelverfahren.
Eine Wickelmaschine besteht aus einer Drehvorrichtung für die Rotationsbewegung des Wickelkerns, einer Fadenführung, einem Harz-Tränkbad und einem Spulenständer für den Roving (Faserstrang).
Abbildung: Prinzip einer Drehbankwickelanlage
•d) Faserspritzverfahren
Faserschnipsel und Harz befinden sich jeweils in einer Faserspritzpistole. Beide sprüht man in die Negativform. Das UP-Harz sollte vorab (vorzugsweise außerhalb der Spritze) mit dem Härter oder dem Beschleuniger gemixt werden, da dieses durch Polymerisation aushärtet.
Die Kurzfasern liegen orientierungslos in der Matrix und erreichen nur geringe Faservolumenanteile, Festigkeiten und Steifigkeiten. Anwendungsgebiete sind Fahrzeugabdeckungen, Kanu- und Bootsrümpfe.
Abbildung: Prinzip des Faserspritzverfahrens
[Quelle: http 21]
•e) Pultrusion (Strangziehverfahren)
Das Strangziehverfahren wird auch Pultrusionsverfahren genannt. Es dient der Herstellung von Endlosprofilen und ist daher ein kontinuierliches Verfahren. Die Verstärkungsfasern laufen in Profilrichtung, was eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen E-Modul in Zugrichtung bewirkt. Zusätzlich verfügen die meisten Profile über Querfaserverstärkungen aus Gewebe, Wirrfasermatten oder Umwickelungen. Sie werden in der Regel als äußere Schichten realisiert. Dies ist wichtig, da die Profile sonst bei Bearbeitung (Bohren, Sägen, u.s.w.) sehr empfindlich wären. Die Profile haben einen konstanten Querschnitt, können aber unausgehärtet nachträglich umgeformt werden.
Abbildung: Prinzip des Strangziehverfahrens
[Quelle: http.22]
•f) Injektionsverfahren
Beim Injektionsverfahren wird zunächst das trockene Verstärkungsmaterial in die Form eingelegt. Die Imprägnierung mit Harz erfolgt erst nach dem Schließen der Form, indem die Matrix (Harz) in die Form eingespritzt oder eingesaugt wird.
Als RTM (Resin Transfer Moulding) bezeichnet man das Verfahren, bei dem die Harz/Härter-Mischung aus einem Vorratsbehälter in die Form eingebracht wird, während beim RIM (Resin Injection Moulding)-Verfahren die hoch-reaktiven Komponenten erst unmittelbar vor dem Einspritzen gemischt werden.
[Quelle: http.20]
•g) Autoklavverfahren
Das Autoklav-Verfahren ist eines der teuersten und aufwendigsten Ver-arbeitungsverfahren. Es wird in der Regel nur beim Einsatz von Prepregs angewandt. Prepregs sind mit einem speziellen Harz vorimpregnierte (Preimpregnated) und „angehärtete" Verstärkungsgewebe, die von spezialisierten Firmen (den sogenannten Prepregern) nach Kundenwunsch gefertigt werden.
Aus Prepregs lassen sich komplizierte, mechanisch und thermisch hoch-belastbare Bauteile pressen. Der Faservolumengehalt liegt dabei über 60 %, der Luftporengehalt ist äußerst gering.
Aufgrund der hohen Kosten wird das Autoklav-Verfahren hauptsächlich zur Herstellung komplexer Bauteile mit höchsten Anforderungen z.B. in der Luft- und Raumfahrt (Airbus) sowie im Rennsport (Formel 1) eingesetzt.
[Quelle: http.20]
•h) Pressverfahren
Dieses Verfahren eignet sich als eines der wenigen zur Herstellung von größeren Stückzahlen bei verhältnismäßig geringen Taktzeiten. Beim Pressverfahren werden Matten, Gewebe oder Gelege in eine mehrteilige Form gelegt und Harz in entsprechender Menge hinzugegeben oder injiziert. Es können auch Prepregs oder Faserverbundplatten mit thermoplastischer Matrix in Form gepresst werden. Anwendungsgebiet sind Schalenbauteile mit konstanten Wandstärken.
Übliche Verfahren:
[Quelle: http.20]
•i) Vergleich einiger Herstellverfahren
Abbildung Vergleich der Herstellverfahren
[Quelle: http.23]
•2.3. Einsatzbereiche und Anwendungen
•a) Bau
Wie Versuche nachgewiesen haben, kann der Einbau auch an schwingungsbelasteten Bauwerken, wie Brücken, ohne Einschränkung des Verkehrs erfolgen. Dies ist sowohl aus Kosten- wie auch aus verkehrstechnischer Sicht ein nicht zu unterschätzender Vorteil. Außer Betonkonstruktionen können aber auch Wände aus Mauerwerk durch kreuzweises Verlegen von CFK-Lamellen verstärkt werden. Dazu wird der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff als Lamelle oder Gewebe auf die Oberfläche von Bauteilen aufgeklebt.
Die Vorteile von CFK-Lamellen, zur nachträglichen Verstärkung von Bauwerken verwendet, gegenüber herkömmlichen Werkstoffen wie Stahl oder Holz liegen auf der Hand: CFK korrodiert nicht, hat ein sehr geringes Eigengewicht und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Der Hightechstoff ist extrem belastbar. Seine Materialkennwerte übertreffen die von Stahl bei weitem: Sein Elastizitätsmodul ist bis zu 50 Prozent, die Zugfestigkeit bis zu 10-fach höher als bei herkömmlichen Stahl. Dadurch ist Kohlenstoff in der richtigen Form ein idealer Baustoff. Erfolgt der Einbau bei niedrigen Temperaturen oder möchte man einen schnellen Verbund zwischen Bauwerk und Lamelle erreichen, können die Lamellen erhitzt werden. Die Erwärmung der Lamelle und damit des Klebers auf 70° C ermöglicht ein sehr schnelles Aushärten des Klebers und damit die Herstellung der vollen Belastbarkeit in kürzester Zeit.
[Quelle: http.24]
Abbildung: CFK-Verstärkung einer Brücke
•b) Energietechnik
Ein Marktsegment aus dem Bereich der Energietechnik stellt die Windenergie dar. Besonderes Einsatzpotenzial liegt dann vor, wenn aus technischen Gründen keine anderen Werkstoffe mehr eingesetzt werden können. So sind bei Windenergieanlagen mit Rotorblattlängen von etwa 50 m und mehr nur noch Kohlenstofffasern wegen ihrer herausragenden gewichtsspezifischen Ermüdungsfestigkeit geeignet.
Abbildung: Windrad-Rotorblätter aus CFK und GFK
•c) Maschinenbau
Prinzipiell gilt für den sinnvollen Einsatz z.B. eines CFK-Teiles immer die Grundregel: Mindestens eine wichtige Eigenschaft muss deutlich besser erfüllt werden als der zu substituierende Werkstoff. Extrem hohe Lastwechselbeständigkeit von CFK ermöglicht dynamisch höchst belastbare Bauteile. Gewichtseinsparung durch den Werkstoff ist vor allem bei schnell bewegten Bauteilen ein wichtiger Pluspunkt. CFK dringt in immer mehr verschiedene Einsatzbereiche des klassischen Maschinenbaus ein. Durch geschickte Kombination aus Metall und Faserverbundwerkstoffen werden die enormen Vorteile des Materials im Basisbauteil voll genutzt.
Abbildung: Hochbeschleunigter Hebel
Abbildung: KUKA-Leichtroboter
[Quelle: http.25]
•d) Anlagenbau
Auch im Anlagenbau hält der Einsatz von Carbon stetig an. Hier werden die Eigenschaften wie die chemische Beständigkeit, der einfachen Gestaltungsgrundlagen, die geringe Wärmeaus-dehnung und die sehr gute gewichtsbezogene Steifigkeit und Festigkeit genutzt.
Abbildung: Carbonverstärkter Gaszylinder
Wo früher klassische Stahl- und Gußroste eingesetzt wurden, sind heute Chargiergestelle aus Carbonfaser-Composites in sehr vielen Fällen die erste Wahl. Die hohe Belastbarkeit bei gleichzeitig extremer Verzugsfestigkeit sind entscheidende Argumente für den Einsatz von Carbonwerkstoffen, die insbesondere bei automatisierten Prozessen zum Tragen kommen.
Die geringe Dichte und das leichte Gewicht von kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff vereinfacht nicht nur das Handling, sondern stellt auch eine hervorragende Energiebilanz gegenüber Stahlgestellen und Gußgestellen sicher.
[Quelle: http.26]
•e) Verkehrstechnik
Nach einer neuen EU-Richtlinie müssen die EU-Mitgliedsstaaten ihren CO2-Ausstoß ab 2008 auf ein vorgegebenes Niveau begrenzen. Das wirkt sich auch auf den Benzinverbrauch von Automobilen aus. Es ist bereits absehbar, dass diese Werte mit den heutigen Fahrzeugflotten nicht erreicht werden können. Da spielt der Leichtbau eine große Rolle.
Große Chancen werden in diesem Zusammenhang den kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, flankiert durch Magnesium, eingeräumt. Im Schienenverkehr ist CFK für Regionalzüge interessant, auch wenn das zunächst überraschend klingen mag. Doch im Gegensatz zu den Hochgeschwindigkeitszügen müssen Regionalbahnen durch die vielen Haltestationen häufiger beschleunigen und abbremsen. Da ist dann der Leichtbau interessant.
Eine Nutzung dieses Potentials z.B. im Großserienautomobilbau scheitert bisher an den hohen Werkstoff- und Fertigungskosten. Ein wichtiges Ziel besteht daher darin, die bisher durch große manuelle Arbeitsanteile geprägte Fertigung zu automatisieren. Eine weitere wichtige Voraussetzung ist jedoch auch, dass die gesamte Entwicklungs- und Prozesskette auf die besonderen Belange der Faserverbundwerkstoffe ausgerichtet ist. Dies beginnt beim optimalen Strukturkonzept und endet bei der Qualitätssicherung.
[Quelle: http.27]
Während teure Werkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) im Premiumsegment keine Seltenheit mehr sind, können die höheren Materialkosten in der Großserie kaum weitergegeben werden. Langfristig können deshalb nur Leichtbaukonzepte Anwendung finden, die unter den Kriterien Kosten, Stückzahl, Gewicht und Funktion die ideale Eigenschaftskombination ausweisen.
[Quelle: http.28]
Abbildung: Radträger aus Carbon
•f) Luft- und Raumfahrt
Im Flugzeugbau wurden in den letzten Jahren wichtige Schritte in dieser Richtung unter-nommen, da auch hier der Kostendruck steigt und die Stückzahlen zunehmen.
Im Flugzeugbau ist der Einsatz von CFK die einzige Möglichkeit, wettbewerbsfähig zu bleiben. Faserverbundbauweisen verfügen über das Potential, den Druckrumpf (Größe etwa Airbus A 320) zukünftiger Verkehrsflugzeuge 5 bis 8 Tonnen leichter (ca. 30 %) zu bauen. Im Laufe eines Flugzeuglebens bedeutet dies eine Treibstoffersparnis von ca. 24 Millionen Litern Kerosin. Im harten Wettbewerb zur amerikanischen Flugzeugindustrie besteht zudem die Notwendigkeit, die Herstellkosten heutiger Metallrumpfbauweisen bis zum Jahr 2010 durch neue Faserverbund-bauweisen um 40% zu reduzieren.
[Quelle: http.29]
Abbildung: CFK-Einsatz bei Airbus A-380
In der Raumfahrt sind die Werkstoffe CFK, Titan, Aluminium nicht mehr wegzudenken. Jede Gewichtseinsparung ist willkommen und wird entsprechend honoriert. Das strukturelle Kleben ist ein Standardprozess.
•g) Medizintechnik
CFK kann aufgrund seiner sehr hohen Röntgentransparenz und seiner Steifigkeit perfekt für medizinische Zwecke genutzt werden. Röntgenstrahlen werden von CFK kaum absorbiert und es treten durch exakte Verarbeitung und strenge Sauberkeitsvorschriften am Arbeitsplatz keine Unregelmäßigkeiten innerhalb des Bauteils auf wie in natürlichen Werkstoffen.
Abbildung: CFK-Kniewadenpassteil
Abbildung: CFK-Einlegeplatten
[Quelle: http.30]
•h) Sport und Freizeit
In den 60er-Jahren erschloss man die Anwendung von Epoxidharzen, die mit der sehr teuren C-Faser verstärkt waren, für Strukturbauteile in der Raumfahrt; es folgte der Leichtbaueinsatz im militärischen und zivilen Flugzeugbau. Etwa 20 Jahre später, als der Rohstoffpreis auf unter
100 EUR/kg gefallen war, fand CFK auch Absatz bei hochwertigen Sportanwendungen wie Golf- und Tennisschlägern, Rennrädern und Angelruten.
Abbildung: Mountainbike aus Carbon
Abbildung: Skistöcke aus Carbon
[Quelle: http.31]
Am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) beschäftigt man sich mit einem neuen Laserschneidverfahren für CFK-Werkstoffe, welches die bei der Bearbeitung auftretende thermische Schädigung der Schnittkante durch die Zufuhr von pulverförmigem Zusatzwerkstoff kompensieren soll.
Durch das Laserstrahltrennen kann der für die konventionellen spanenden Bearbeitungsverfahren übliche hohe Verschleiß vermieden werden und damit eine Produktivitätssteigerung erreicht werden. Sollen gleichzeitig hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten von mehreren Schnittmetern pro Minute auch bei dickeren Laminaten oberhalb von 3 mm erreicht werden, kommen hierfür nur Hochleistungslaser mit höchster Strahlqualität in Frage.
Am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) beschäftigt man sich mit einem neuen Laserschneidverfahren für CFK-Werkstoffe, welches die bei der Bearbeitung auftretende thermische Schädigung der Schnittkante in Form von freiliegenden Kohlefasern sowie verdampfter oder umgeschmolzener Polymermatrix durch einen neuartigen Ansatz unter in-situ-Zufuhr von pulverförmigem Zusatzwerkstoff kompensieren soll.
Durch die Ergebnisse dieses Projekts wird ein deutlicher Schub zur Etablierung des Lasers im CFK-Bereich erwartet, sowie eine von der Industrie geforderte verbesserte Wirtschaftlichkeit und dem damit verbundenen Anstieg des Produktionsvolumens von CFK-Werkstoffen ermöglicht.
[Quelle: http.32]
Abbildung: neuartiges CFK-Laserschneidverfahren
Die Klebtechnik ermöglicht einen Quantensprung in der CFK-Technologie. Die Bedeutung des klebtechnischen Fügens wird - vor allem im Flugzeugbau - permanent zunehmen", steht für Dr. Dirk Niermann, Leiter der Fraunhofer-Projektgruppe Fügen und Montieren (FFM), fest. "Große Herausforderungen im Flugzeugbau liegen in einer deutlichen Beschleunigung der Montageabläufe bei gleichzeitiger Kostenersparnis. Dieses Ziel erreichen wir nur durch weitgehende Automatisierung der Prozesse - weg von manuellen Arbeitsabläufen hin zum Robotereinsatz - und Entwicklung von Klebstoffen mit einer sehr speziellen Kombination von Eigenschaften", so Dirk Niermann weiter.
[Quelle: http.33]
Der Verein CFK-Valley in Stade, ein Zusammenschluss von 77 Forschungsinstituten und Unternehmen aus dem Dunstkreis des Flugzeugbauers Airbus plant zusammen mit dem Chemiekonzern DOW eine Recyclinganlage für Faserverbundwerkstoffe. Das Trennungsverfahren, Pyrolyse genannt, ist Gegenstand einer Patentanmeldung. Eine Pilotanlage ist bereits in Betrieb.
Neueste Entwicklungen gehen sogar in die Richtung, Beton durch den Zusatz von recycelten Faserverbundstoffen duktiler (weniger spröde) und somit wesentlich belastbarer zu machen.
[Quelle: http.34]
•4. Marktpotential
Chancen ergeben sich aus dem Druck auf die Industrie, insbesondere zur Energie, aber auch zur Kosteneinsparung immer leichtere Strukturen bei gleicher Festigkeit zu produzieren. Als Beispiel sei hier noch einmal auf den zivilen Flugzeugbau verwiesen, der der Branche zu Wachstum verhilft, obwohl es im gesamten Luftverkehr zu einer Verlangsamung des Nachfragewachstums kommt. Das immer noch extrem hohe Automatisierungspotenzial in der Composites-Branche vergrößert die sich bietenden Chancen. Dieses Potenzial ist teilweise auch eine betriebliche Stärke. Neben solchen Prozessinnovationen bietet die oben dargestellte hohe Anwendungsvielfalt auch großen Raum für Produktinnovationen. Dieses Potenzial stößt auf bestehenden regionalen Märkten wegen Sättigungen an Grenzen, ist aber riesig in den sich industriell stark entwickelnden Regionen in der Welt. Beispielhaft genannt seien Transportmärkte in Asien oder der Baubereich in Osteuropa.
Potentiale:
Anwendungsindustrien noch immer nicht bekannt. Gegenüber „herkömmlichen"
Materialien wie z. B. Stahl ist der Industriezweig noch relativ jung und das Marketing
ausbaufähig. Es fehlen Informationen schon während der (Ingenieurs-) Ausbildung
ebenso wie eine Aufklärung der Endkunden bzw. Konsumenten über Einsatzgebiete
und Produkte, die Composites-Bauteile enthalten.
ausgeschöpftes Potenzial für neue Produkte und neue Anwendungen in
bestehenden und auch in neuen Märkten. Die kontinuierliche Beobachtung von
Trends und Zukunftsmärkten muss ebenso ausgebaut werden, wie das
systematische Innovationsmanagement in den Unternehmen.
meistens Vorteile gegenüber Konkurrenzprodukten was eine „gesamtheitliche"
Nachhaltigkeit betrifft. Wenn eine vergleichende und instrumentell stimmige
Betrachtung gleichermaßen von Ökologie, Ökonomie und sozialen Auswirkungen
vorgenommen wird, haben Composites in vielen Fällen „die Nase vorn".
[Quelle: http.35]
Für die Planung, Herstellung, Veredelung und Installation von Kohlefaserverbundwerkstoffe können folgende Handwerksberufe gefragt sein:
Bau und Ausbaugewerbe
Elektro- und Metallgewerbe
Holzgewerbe
Glas-, Papier-, Keramische und sonstige Gewerbe
Bekleidungs-, Textil- Ledergewerbe
Gesundheits-, Körperpflege- chemisches und Reinigungsgewerbe
Kaum eine andere Technologie bietet branchenübergreifend eine so rasante Entwicklung und enormes Potenzial wie der Faserverbund-Leichtbau. Für den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (GFK und CFK) wird ein Wachstum von mehr als 5 % pro Jahr vorhergesagt.
Die Marktentwicklungen in führenden Branchen wie dem Automobil- und Flugzeugbau, dem Schienenfahrzeug- und Schiffbau sowie dem Windenergieanlagenbau erfordern einen hohen Bedarf an Fachkräften.
Aber nicht nur die Industrie ist bestrebt Fachkräfte in diesem Bereich aus- und weiterzubilden, sondern auch die Handwerkskammern bieten gezielt Exkursionen und Informations-veranstaltungen an. Ein wichtiges Ziel der Handwerkskammern ist es, die neue Technologie immer mehr in die Handwerksbetriebe einzuführen und zu etablieren, sodass ein für die Zukunft entscheidendes Zugpferd nicht verpasst wird.
Zielgruppen sind Meister/innen verschiedener Fachrichtungen, besonders aber technische
Fachkräfte die in den Wachstumsmarkt Faserverbund-Leichtbau einsteigen wollen.
Seminare über das Thema Carbon Composites werden von den unterschiedlichsten Einrichtungen angeboten. Hier kann auf ein breites Spektrum der Aus-, und Weiterbildungsmöglichkeiten zurückgegriffen werden, wobei sich das Angebot ständig erweitert.
•7.1. Informationen / Literatur
•7.2. Fachmessen
•7.3. Hersteller und Anbieter
Weltweite, nationale und örtliche Hersteller per Internetsuchmaschine suchen und finden:
http://www.wlw.de
http://www.industrystock.de
Suchbegriffeingabe von z.B.: Carbon, CFK. Kohlenfaser oder Faserverbund
Carbonteile-Hersteller aus Schwaben und nahe Umgebung:
Material- und Halbzeugzulieferer aus Schwaben und nahe Umgebung:
•7.4. Seminare / Informationsveranstaltungen
Anbieter von Einführungsseminaren
Anbieter von Vertiefungsseminaren
•7.5. Fachberatung
Kostenlose technische Beratungsdienste bieten an:
http://www.recyclingportal.eu/artikel/21887.shtml
Die Aussage über unzureichende Recycling Möglichkeiten basiert wahrscheinlich auch nur auf der Tatsache der geringen Verbreitung von Carbon im Allgemeinen und der dementsprechend geringen Anzahl von Firmen die sich darauf spezialisiert haben.
Der Werkstoff Carbon ist allerdings viel zu teuer, um ihn einfach auf einer Deponie oder in einer Verbrennungsanlage zu entsorgen.
Das bisher wohl am häufigsten genutzte Recyclingverfahren ist das Schreddern der Composites zu kleinen Pellets, die u.a. im Straßenbau zum Einsatz kommen.
Es ist jedoch auch möglich, wenn auch aufwendiger, die Fasern in ihrer gesamten Länge zu recyceln. Sie können dann zum Beispiel in thermoplastischen Spritzgussteilen als Faserzusatz benutzt werden.
Diese werden z.B. zu leichten Innenverkleidungen in Flugzeugen oder Autos oder auch zu abschirmenden Kunststoffgehäusen in der Medizintechnik verarbeitet, wo ein Einsatz „frischer" CFK-Werkstoffe nicht sinnvoll, weil zu teuer wäre.
Der Verein CFK-Valley in Stade, ein Zusammenschluss von 77 Forschungsinstituten und Unternehmen aus dem Dunstkreis des Flugzeugbauers Airbus plant zusammen mit dem Chemiekonzern DOW eine Recyclinganlage für Faserverbundwerkstoffe. Das Trennungsverfahren, Pyrolyse genannt, ist Gegenstand einer Patentanmeldung. Eine Pilotanlage ist bereits in Betrieb.
Neueste Entwicklungen gehen sogar in die Richtung, Beton durch den Zusatz von recycelten Faserverbundstoffen duktiler (weniger spröde) und somit wesentlich belastbarer zu machen.
CFK-Recycling-Dienstleister:
- HADEG Recycling GmbH http://www.hadeg-recycling.de/
- CFK Valley Stade Recycling GmbH & Co. KG http://www.karl-meyer.de/cfk_recycling/
- YF international B.V. (Holland) http://www.yfinternational.com/
- Recycled Carbon Fibre Ltd (Schottland) http://www.recycledcarbonfibre.com/
Ja. Hierzu sind 3 Förderungen für das Handwerk interessant.
Unterstützt werden kleine Unternehmen mit Hauptsitz in Bayern, die gemeinsam mit einem Entwicklungspartner neue, marktrelevante Produkte und Verfahren realisieren wollen.
Die Innovationsgutscheine sollen die Planung, Entwicklung und Umsetzung neuer Produkte, Produktionsverfahren oder Dienstleistungen bzw. eine wesentliche Verbesserung bestehender Produkte, Produktionsverfahren und Dienstleistungen unterstützen. Dabei können sich Unternehmen Unterstützung am Forschungs- und Technologiemarkt einkaufen.
Mit dem „Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)" sollen die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU), einschließlich des Handwerks und der unternehmerisch tätigen freien Berufe, nachhaltig unterstützt und damit ein Beitrag zum Wachstum der Unternehmen verbunden mit der Schaffung und Sicherung von Arbeitsplätzen geleistet werden.
Kooperationsprojekte (ZIM-KOOP)
Gefördert werden FuE-Kooperationsprojekte zwischen KMU und von KMU mit Forschungseinrichtungen.
Einzelprojekte (ZIM-SOLO)
Gefördert werden einzelbetriebliche FuE-Projekte von KMU.
Netzwerkprojekte (ZIM-NEMO)
Gefördert werden externe Management- und Organisationsleistungen für die Entwicklung
marktorientierter Netzwerke innovativer KMU
Was wird gefördert?
Die KMU-Patentaktion ist in fünf Teilpakete (TP) untergliedert, deren Abfolge sich am innerbetrieblichen Entwicklungsprozess orientiert. Die SIGNO-Partner bieten, je nach Schwerpunkt, neben der Prozessbegleitung auch Dienstleistungen im Rahmen dieser Teilpakete an. Der Förderzeitraum umfasst 18 Monate.
Der Zuschuss pro Unternehmen beträgt max. 8.000 EUR
Aus Untersuchungen aus dem Luftfahrtbereich ist erwiesen, das die Herstellung von Kohlefaserprodukten deutlich weniger Energie benötigt als vergleichbare Aluminiumkonstruktionen. Weiterhin entstehen bei Kohlefaserprodukten weit weniger gesundheitsschädliche Emissionen und Abfallprodukte als bei Aluminium. So hinterlässt die Herstellung einer Tonne Aluminium etwa 1,5 Tonnen des oben schon erwähnten, hochgiftigen Rotschlamms.
(Quelle: http://www.circle-cycles.de/index.php?article_id=29)
Im Mittelpunkt von vielen Diskussionen um das Thema „Carbon" steht immer öfter dessen Umweltverträglichkeit und Entsorgung. Dabei werden aber selten Vergleiche zwischen unterschiedlichen Materialien hergestellt sondern oft nur angebliche Nachteile wie unzureichendes Recycling Möglichkeiten polemisiert.
Carbon Composites werden oft als Sondermüll tituliert, wohl aus Unwissenheit über dessen Bedeutung.
Laut der aktuellen Definition ist ein Carbonrahmen eindeutig nicht als gefährlicher Abfall anzusehen, da er weder gesundheits-, luft- oder wassergefährdend, explosibel oder brennbar ist, außerdem enthält er keine Erreger übertragbarer Krankheiten.
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Carbon-Composites - Kohlefaserverbundwerkstoffe
Autor: Sebastian Nöll Letzter Stand: 28.06.2010
Inhaltsverzeichnis
1. Bedeutung der Technologie.
1.1. Geschichte der Kohlefaserverbundwerkstoffe (CFK)
1.2. Marktentwicklung.
2. Aktueller Stand der Technik.
2.1. Ausgangsmaterialien und Aufbau.
a) Kohlefaser
i. Herstellung und Eigenschaften.
ii. Faseranordnung.
b) Matrix.
i. Eigenschaften.
ii. Matrixkunststoffe.
2.2. Herstellungsverfahren und Anwendungsbeispiele.
a) Handlaminierverfahren.
b) Vakuumpressen.
c) Wickelverfahren.
d) Faserspritzverfahren.
e) Pultrusion (Strangziehverfahren)
f) Injektionsverfahren.
g) Autoklavverfahren.
h) Pressverfahren.
i) Vergleich einiger Herstellverfahren.
2.3. Einsatzbereiche und Anwendungen.
a) Bau.
b) Energietechnik.
c) Maschinenbau.
d) Anlagenbau.
e) Verkehrstechnik.
f) Luft- und Raumfahrt
g) Medizintechnik.
h) Sport und Freizeit
3. Entwicklungstendenzen.
4. Marktpotential
5. Berufsgruppen des Handwerks.
6. Weiterbildungs- und Qualifizierungsmöglichkeiten.
7. Umsetzungsmaßnahmen.
7.1. Informationen / Literatur
7.2. Fachmessen.
7.3. Hersteller und Anbieter
7.4. Seminare / Informationsveranstaltungen.
7.5. Fachberatung.
8. Standardfragen - FAQ
Ist es möglich Carbon zu recyceln? / Wo kann ich Carbon entsorgen?.
Wird die Entwicklung von Neuprodukten aus Carbon gefördert?.
Ist die Herstellung von Carbon nicht um einiges energieintensiver als Aluminium?.
Ist Carbon umweltschädlich?.
9. Quellen.
•1. Bedeutung der Technologie
•1.1. Geschichte der Kohlefaserverbundwerkstoffe (CFK)
Die Grundlagen des Leichtbaus sind so alt wie das Leben auf der Erde: Pflanzen tragen ihre Blüte auf einem „Leichtbaustengel" und die Knochen der Lebewesen, mit dem zellartigen Kern, sind ebenfalls anisotrope Strukturen.
Bereits vor Tausenden von Jahren verstärkten die alten Ägypter ihren Baustoff Lehm mit Sehnen von Tieren oder mit Fasern. In den Tempelanlagen von Luxor ist dies heute noch gut zu sehen.
Die Geschichte der Kohlefaser ist ca. 120 Jahre jung. Sie beginnt um 1880, damals stellte erstmals Thomas Alva Edison durch Pyrolyse (thermische Zersetzung chemischer Verbindungen) von pflanzlichen Stoffen bzw. Kunstseide Kohlenstofffasern für die ersten Glühlampen her. Nach der Erfindung der Metallwendel sank das Interesse an diesem Material.
In den 1940er Jahren wurden erstmals in den USA Glasfasern zur Lagefixierung in Harz eingebettet.
Aber erst in den 1950er Jahren griff man vermehrt auf die Kohlenstofffaser zurück, Grund war die Forderung der Luftfahrtindustrie nach festen und gleichsam leichten Bauweisen. Ein großer Schritt gelang 1955 mit der Herstellung von Fasern mit gerichteten Kristallstrukturen im englischen Royal Aircraft Establishment. Zuerst fand der Werkstoff Einzug in die Luft- und Raumfahrt, seit 1990 wird CFK (Kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff) auch in anderen Bereichen angewendet.
[Quelle: http.1], [Quelle: http.2]
•1.2. Marktentwicklung
Tatsächlich gilt CFK als Werkstoff der Zukunft. In der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeug- und Maschinenbau ist CFK wegen seiner weitreichenden Einsatz- und Einsparmöglichkeiten längst etabliert. Bei gleicher Festigkeit sind CFK-Bauteile rund 30 Prozent leichter als das bislang häufig verwendete Aluminium. Auch bei Sportgeräten, bei Fahrradrahmen, den Masten für Windsurfer oder den Schäften von Golfschlägern findet CFK bereits Verwendung.
[Quelle: http.3]
Der Ausbau der zukunftsgerichteten CFK-Technologie wird nicht nur bundesweit einen Entwicklungsschub ermöglichen, sondern auch die Wettbewerbsfähigkeit der international agierenden Unternehmen im globalen Markt stärken und ausbauen. Das wiederum hat einen positiven Effekt auf regionale sowie überregionale Schaffung und Sicherung von Arbeitsplätzen - insbesondere bei Transportmittelbauern und ihren Zulieferern.
[Quelle: http.4]
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| Quelle: fdf |
Abbildung: Marktentwicklung des CFKs
Immer noch werden in über 90% der Composites in Europa Glasfasern als Verstärkungsmaterial eingesetzt. Spezifische Eigenschaften von Kohlenstofffasern aber auch von Naturfasern bieten aber diesen Materialien grundsätzlich die gleichen Zukunftsperspektiven.
Die Wahl für das für die jeweilige Verwendung „beste" Material hängt neben dem Preis von Kriterien wie Festigkeit, Steifigkeit, aber auch Schwingfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Bruchdehnung ab. Ein gegenüber Glasfasern typischerweise höherer Preis für Kohlenstofffasern kann sich gegebenenfalls. für bestimmte Hochleistungs-Einsatzgebiete rechnen. Als positive
Entwicklung seitens der Verarbeiter wird die jetzige Verfügbarkeit dieser Fasern am Markt gesehen und die damit grundsätzlich verbundene Möglichkeit, neue Anwendungen zu erschließen.
[Quelle: http.5]
Insgesamt sind trotz zu erwartendem zweistelligen Produktionsmengenwachstum zumindest mittelfristig Engpässe und niedrige Preissenkungsspielräume die Folge. Wertmäßig ist der Umsatz mit Bauteilen aus CFK (Carbon- bzw. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe) etwa zehnmal so groß wie der Umsatz im Carbon-Fasermarkt.
Während heute Glasfasern als Verstärkungsmaterialien noch absolut dominieren, gefolgt von einem kleinen Anteil Naturfasern, sehen auch etliche Verarbeiter eine mittelfristig kleine, aber doch eindeutige Verschiebung der Marktanteile zugunsten des CFK-Einsatzes
[Quelle: http.6]
Insbesondere von dem Hintergrund der zu erwartenden Steigerungsraten beim Einsatz von CFK-Werkstoffen - beispielsweise sollen sie bei Airbus-Großraumflugzeugen von derzeit 20 auf künftig 50 Prozent ansteigen - wird das Ausmaß des Forschungs- und Entwicklungsgebietes deutlich.
[Quelle: http.7]
•2. Aktueller Stand der Technik
Hochleistungsverbundkunststoffe werden dort eingesetzt, wo herkömmliche Werkstoffe die gestellten Anforderungen nicht mehr erfüllen können. Die Entwicklungsziele sind dabei vor allem höhere Arbeitsgeschwindigkeiten, hohe Fertigungsgenauigkeiten oder geringer Energieeinsatz bei gleichzeitig hoher Leistung. Die optimale Nutzung der herausragenden Werkstoffeigenschaften setzt allerdings entsprechendes Anwenderwissen sowohl bei Konstrukteuren und Designern als auch bei den Fertigungs- und Bearbeitungstechnikern voraus. Erst durch die richtige Auswahl der Einzelkomponenten faserverstärkter Kunststoffe (z.B. Faserart und -länge, Harzsystem) kann der Werkstoff gezielt an die Bedürfnisse des Endproduktes angepasst und - auch bezüglich der Kosten - optimiert werden.
[Quelle: http.8]
Durch ihr geringes Gewicht sind sie für den Leichtbau von Großstrukturen prädestiniert - Die erzielbare Gewichtseinsparung schont Ressourcen und Umwelt. Zugleich zeichnen sie sich neben sehr hoher Festigkeit und Steifigkeit durch Beanspruchbarkeit, gute Dämpfungseigenschaften sowie gutmütiges Ermüdungsverhalten aus und ermöglichen neue Wege im gesamten Produktdesign. Diese Eigenschaften machen sie zudem für den Windenergieanlagenbau besonders attraktiv.
[Quelle: http.9]
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| Quelle: df |
Abbildung: Vergleich von Werkstoffkennwerten
[Quelle: http.10]
Nachdem der Aufbau von Strukturen bisher - bedingt durch kleine und kleinste Stückzahlen - in aller Regel in Handarbeit erfolgte, haben die Entwicklungen insbesondere im Flugzeugbau die automatische Fertigung von Komponenten ein großes Stück vorangebracht. Erstmals ist damit absehbar, dass Kohlefaserverbundwerkstoffe auch bei "niedrigpreisigen" Massenprodukten wettbewerbsfähig zum Einsatz kommen können.
•2.1. Ausgangsmaterialien und Aufbau
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| Quelle: ds |
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| Quelle: ds |
Durch Einbetten von Fasern mit höherem E-Modul und höherer Bruchdehnung / -festigkeit werden die Eigenschaften der Matrix verbessert, ohne zusätzliche Gewichtserhöhung. Besonderen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben:
- die Faserorientierung
- die Faserbenetzung (Adhäsion)
- der Herstellungsprozess
- die Verträglichkeit der Werkstoffpaarung (Diffusions- und Ausdehnungsverhalten)
- die Volumenverteilung:
[Quelle: http.11]
•a) Kohlefaser
•i. Herstellung und Eigenschaften
Kohlefasern sind industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die durch Pyrolyse (eine thermo-chemische Spaltung organischer Verbindungen, bei hohen Temperaturen von 500-900°C) in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden. Man unterscheidet isotrope und anisotrope Typen:
isotrope Fasern besitzen nur geringe Festigkeiten und geringere technische Bedeutung, anisotrope Fasern zeigen hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung.
Eine Kohlenstoff-Faser hat einen Durchmesser von etwa 5-8 Mikrometer. Üblicherweise werden 1.000 bis 24.000 Einzelfasern (Filamente) zu einem Bündel (Roving) zusammengefasst, das auf Spulen gewickelt wird. Die Weiterverarbeitung erfolgt zum Beispiel auf Webmaschinen oder Wirkmaschinen zu textilen Strukturen.
Als Kurzschnittfasern können sie Polymeren beigemischt werden und über Extruder- und Spritzgussanlagen zu Kunststoffbauteilen verarbeitet werden.
[Quelle: http.12]
Kohlefaser (Carbonfaser) weist eine etwas höhere Zugfestigkeit und bedeutend höhere Steifigkeit auf als Glasfaser. Das spezifische Gewicht ist um ca. 30 Prozent niedriger. Kohlefaser eignet sich deshalb besonders für Leichtbauteile, bei denen extreme Festigkeiten bei gleichzeitig niedrigem Gewicht verlangt sind. Die Dauerfestigkeit bei dynamischer Belastung ist hervorragend. Aufgrund des leicht negativen Ausdehnungskoeffizienten lassen sich Bauteile herstellen, die sich unter Wärmebelastung nur gering oder gar nicht verformen. Kohlefaser ist elektrisch leitfähig.
[Quelle: http.13]
Die hohe spezifische Zugfestigkeit von Fasern erklärt sich durch die Kristallanordnung. Ein idealer Werkstoff besitzt ein regelmäßiges Gitter. In realen Materialen hingegen existieren Unregelmäßigkeiten, wie eingelagerte Fremdatome, Zwischengitteratome und unbelegte Gitterplätze. Insbesondere die Fehlstellen verschlechtern die Festigkeit eines Werkstoffs.
In diesen Faserverbundwerkstoffen sind die Fasern stets fester, als das Matrixmaterial. Dies hat den Vorteil, dass sich im Falle eines Faserbruchs die umgebende Matrix plastisch verformt und so Spannungsspitzen abgebaut werden.
[Quelle: http.14]
•ii. Faseranordnung
Die Anordnung der Kohlefasern lässt sich in 4 Strukturen gliedern:
Gewebe, Gelege, Geflechte und Gestricke
- § Gewebe
In die parallel verlaufenden Kettfäden wird rechtwinklig ein Schussfaden eingewebt. Es entsteht eine Leinwand-, Köper- oder Atlasbindung.
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| Quelle: ds |
Abbildung: Gewebearten
[Quelle: http.15]
- § Gelege
Im Gegensatz zu Geweben sind Gelege wesentlich besser drapierbar und haben im Verbund bessere mechanische Eigenschaften, da die Fasern in gestreckter Form vorliegen und die Ausrichtung der Fasern speziell für den jeweiligen Anwendungsfall definiert werden kann. Ein Gelege besteht aus mehreren Lagen parallel angeordneter Faserrovings. Die einzelnen Lagen unterscheiden sich in der Faserorientierung, deren Ausrichtung mit einem Winkel zur Produktionsrichtung angegeben wird (Produktionsrichtung: 0°-Lage). So gibt es zweilagige (biaxiale) Gelege, in denen die Ausrichtung der Fasern z.B. 0° und 90° (oder auch +45°/-45°) ist oder mehrlagige (multiaxiale) Gelege, mit einer Lagenausrichtung 90°, -45°, 0°, +45° (vierlagig) um nur zwei mögliche Beispiele zu nennen. Die Lagen sind zunächst nicht untereinander verbunden. Zur besseren Handhabung werden sie allerdings noch im Produktionsprozess miteinander verwirkt.
[Quelle: http.16]
- § Geflechte
Die Fäden eines Geflechts verlaufen im Winkel von 30 - 60° zur Abzugsrichtung spiegelbildlich.
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| Quelle: ds |
Abbildung: Geflechtbeispiel
Es gibt zwei Ausführungen der Geflechte: Rund oder Flach (Litze). Ihr Einsatzgebiet sind schubbeanspruchte Klebnähte. In runder Ausführung ergeben sie einen Schlauch. Diesen kann man hervorragend zur Herstellung von Rohren mit veränderlichem Querschnitt benutzen. Dazu zieht man sie über die entsprechenden Formen, tränkt sie mit einer Matrix und lässt sie anschließend aushärten.
[Quelle: http.17]
- § Gestricke und Gewirke
In beiden Fällen entsteht durch Schlaufenbildung ein dreidimensionales Flächengebilde. Dadurch, dass die Fasern ohne gezielte Orientierung vorliegen und zusätzlich noch teuer sind, erklärt es sich von selbst, dass sie wenig verbreitet sind.
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| Quelle: ds |
Abbildung: Gestrickarten
[Quelle: http.18]
•b) Matrix
•i. Eigenschaften
Faserverbundwerkstoffe sind für extreme Belastungen bei gleichzeitig geringem Gewicht ausgelegt und müssen daher sehr hohen Ansprüchen genügen. Die Matrix übernimmt nicht nur die faserstützende und -schützende Funktionen ein. Die Matrix ist zugleich abdichtender Füllstoff.
Die Vielfalt der Matrixwerkstoffe ist nahezu unendlich und dem speziellen Anwendungsfall angepasst.
Die Matrix umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind. Ohne Matrixwerkstoff sind die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten der Verstärkungsfaser nicht nutzbar. Erst durch die geeignete Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff entsteht ein neuer Konstruktionswerkstoff.
Die Matrix bettet die Fasern. Betten meint dabei, dass sie die Fasern räumlich fixiert und die Lasteinleitung und Lastausleitung ermöglicht. Zusätzlich stützt die Matrix die Fasern, z. B. gegen Ausknicken bei faserparallelem Druck. Die Lastübertragung erfolgt über die Adhäsion zwischen Faser und Matrix. Sie kann über Normal- oder Schubkräfte erfolgen. Verbunde, bei denen keine Faser-Matrix-Haftung besteht, sind nur in Sonderfällen belastbar.
[Quelle: http.19]
•ii. Matrixkunststoffe
Grundsätzlich unterscheidet man faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer (Thermoplast), duroplastischer (Duroplast) und elastischer (Elastomer) Matrix.
Die Wahl des Matrixsystems entscheidet über die Einsatzgrenzen des faserverstärkten Kunststoffs. Neben den mechanischen Eigenschaften der Matrix z. B. des Elastizitätsmoduls gibt es eine Reihe von weiteren Kriterien:
- Temperatureinsatzbereich (Schmelzpunkt, Glasübergangstemperatur)
- Medienbeständigkeit (sauer, basisch)
- Strahlungsbeständigkeit (UV-Strahlung)
- Langzeitverhalten (Kriechen, Relaxation)
- Feuchteaufnahme
[Quelle: http.19]
- § Thermoplastische Matrix
Als Matrix sind grundsätzlich alle gängigen Thermoplasten verwendbar. Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix lassen sich nachträglich umformen oder verschweißen. Nach dem Abkühlen der Matrix sind faserverstärkte Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix einsatzbereit. Sie erweichen jedoch bei erhöhter Temperatur. Mit zunehmendem Fasergehalt sinkt ihre Kriechneigung. Als thermoplastische Werkstoffe bei hohen Temperaturen eignen sich beispielsweise:
- Polyetheretherketon (PEEK)
- Polyphenylensulfid (PPS)
- Polysulfon (PSU)
- Polyetherimid (PEI)
- Polytetrafluorethen (PTFE)
- § Duroplastische Matrix
Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen. Sie weisen jedoch einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Die Temperatureinsatzgrenze wird durch die Lage der Glasübergangstemperatur bestimmt. Faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf.
Als Matrix kommen die folgenden Harze zur Anwendung:
- Epoxidharz (EP)
- ungesättigtes Polyesterharz (UP)
- Vinylesterharz (VE)
- Phenol-Formaldehydharz (PF)
- Diallylphthalatharz (DAP)
- Methacrylatharz (MMA)
- Polyurethan (PUR)
- Aminoharze
- Melaminharz (MF/MP)
- Harnstoffharz (UF)
- § Elastomere Matrix
Als typische Vertreter von Elastomeren als Matrix in faserverstärkten Kunststoffen sind Gummi und Polyurethan (PUR) zu nennen. Elastomere kommen, aufgrund ihrer geringen Steifigkeit, nicht in Strukturbauteilen zum Einsatz. Eine Ausnahme bilden schlaufenförmige Bauteile wie Keil- oder Zahnriemen.
[Quelle: http.19]
•2.2. Herstellungsverfahren und Anwendungsbeispiele
•a) Handlaminierverfahren
Das Handlaminieren ist das älteste, einfachste und am weitesten verbreitete Verfahren. Es genügen minimale technische Voraussetzungen, weshalb es hauptsächlich für kleinere Serien, einfachere Bauteilgeometrien und für den Formenbau angewandt wird. Typische Bauteile sind Segelflugzeuge, Flug-modelle, Boote, Behälter und Prototypen aller Art. Die Formen dazu werden ebenfalls handlaminiert. Bei Verwendung von Formenharzen lassen sich hohe Oberflächengüten erreichen. Die Aushärtung erfolgt fast immer drucklos bei Raumtemperatur. Erhöhte Temperaturen bei der Aushärtung sind nur dann erforderlich, wenn Formen und Bauteile später einer höheren Wärmebelastung ausgesetzt sind (> ca. 60 °C).
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| Quelle: ds |
[Quelle: http.20]
•b) Vakuumpressen
Beim Vakuumpressen wird das zuvor handlaminierte Bauteil mit der Form in einen Foliensack geschoben (nur bei kleinen Teilen möglich) oder mit einer Folie abgedeckt, die am Formenrand luftdicht aufgeklebt wird. Durch Absaugen der Luft presst sich die Folie auf das Laminat und drückt es gegen die Form. Der max. erreichbare Druck ist der Umgebungs-Luftdruck und beträgt ca. 1 bar. Die P3-Pumpe von R&G beispielweise erzeugt ein Vakuum von ca. 0,9 bar, dies entspricht einem Preßdruck von 9 t/m2!
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| Quelle: ds |
[Quelle: http.20]
•c) Wickelverfahren
Beim Wickelverfahren werden die Verstärkungsfasern auf einen Positivkern aufgewickelt. Dieses Verfahren eignet sich vorwiegend zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile wie Behälter, Rohre und Wellen. Mit mehrachsig bewegbaren Fadenführungen können auch kompliziertere Bauteile wie z.B. Rohrkrümmer gewickelt werden.
Man unterscheidet zwischen Drehmaschinen, Taumel- und Planeten-Wickelverfahren.
Eine Wickelmaschine besteht aus einer Drehvorrichtung für die Rotationsbewegung des Wickelkerns, einer Fadenführung, einem Harz-Tränkbad und einem Spulenständer für den Roving (Faserstrang).
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| Quelle: ds |
Abbildung: Prinzip einer Drehbankwickelanlage
•d) Faserspritzverfahren
Faserschnipsel und Harz befinden sich jeweils in einer Faserspritzpistole. Beide sprüht man in die Negativform. Das UP-Harz sollte vorab (vorzugsweise außerhalb der Spritze) mit dem Härter oder dem Beschleuniger gemixt werden, da dieses durch Polymerisation aushärtet.
Die Kurzfasern liegen orientierungslos in der Matrix und erreichen nur geringe Faservolumenanteile, Festigkeiten und Steifigkeiten. Anwendungsgebiete sind Fahrzeugabdeckungen, Kanu- und Bootsrümpfe.
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| Quelle: ds |
Abbildung: Prinzip des Faserspritzverfahrens
[Quelle: http 21]
•e) Pultrusion (Strangziehverfahren)
Das Strangziehverfahren wird auch Pultrusionsverfahren genannt. Es dient der Herstellung von Endlosprofilen und ist daher ein kontinuierliches Verfahren. Die Verstärkungsfasern laufen in Profilrichtung, was eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen E-Modul in Zugrichtung bewirkt. Zusätzlich verfügen die meisten Profile über Querfaserverstärkungen aus Gewebe, Wirrfasermatten oder Umwickelungen. Sie werden in der Regel als äußere Schichten realisiert. Dies ist wichtig, da die Profile sonst bei Bearbeitung (Bohren, Sägen, u.s.w.) sehr empfindlich wären. Die Profile haben einen konstanten Querschnitt, können aber unausgehärtet nachträglich umgeformt werden.
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| Quelle: ds |
Abbildung: Prinzip des Strangziehverfahrens
[Quelle: http.22]
•f) Injektionsverfahren
Beim Injektionsverfahren wird zunächst das trockene Verstärkungsmaterial in die Form eingelegt. Die Imprägnierung mit Harz erfolgt erst nach dem Schließen der Form, indem die Matrix (Harz) in die Form eingespritzt oder eingesaugt wird.
Als RTM (Resin Transfer Moulding) bezeichnet man das Verfahren, bei dem die Harz/Härter-Mischung aus einem Vorratsbehälter in die Form eingebracht wird, während beim RIM (Resin Injection Moulding)-Verfahren die hoch-reaktiven Komponenten erst unmittelbar vor dem Einspritzen gemischt werden.
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| Quelle: ds |
[Quelle: http.20]
•g) Autoklavverfahren
Das Autoklav-Verfahren ist eines der teuersten und aufwendigsten Ver-arbeitungsverfahren. Es wird in der Regel nur beim Einsatz von Prepregs angewandt. Prepregs sind mit einem speziellen Harz vorimpregnierte (Preimpregnated) und „angehärtete" Verstärkungsgewebe, die von spezialisierten Firmen (den sogenannten Prepregern) nach Kundenwunsch gefertigt werden.
Aus Prepregs lassen sich komplizierte, mechanisch und thermisch hoch-belastbare Bauteile pressen. Der Faservolumengehalt liegt dabei über 60 %, der Luftporengehalt ist äußerst gering.
Aufgrund der hohen Kosten wird das Autoklav-Verfahren hauptsächlich zur Herstellung komplexer Bauteile mit höchsten Anforderungen z.B. in der Luft- und Raumfahrt (Airbus) sowie im Rennsport (Formel 1) eingesetzt.
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| Quelle: ds |
[Quelle: http.20]
•h) Pressverfahren
Dieses Verfahren eignet sich als eines der wenigen zur Herstellung von größeren Stückzahlen bei verhältnismäßig geringen Taktzeiten. Beim Pressverfahren werden Matten, Gewebe oder Gelege in eine mehrteilige Form gelegt und Harz in entsprechender Menge hinzugegeben oder injiziert. Es können auch Prepregs oder Faserverbundplatten mit thermoplastischer Matrix in Form gepresst werden. Anwendungsgebiet sind Schalenbauteile mit konstanten Wandstärken.
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- Heißpreßtechnik
- Kaltpreßtechnik
- Naß-Preßverfahren
- Prepreg-Preßverfahren
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| Quelle: ds |
[Quelle: http.20]
•i) Vergleich einiger Herstellverfahren
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| Quelle: ds |
Abbildung Vergleich der Herstellverfahren
[Quelle: http.23]
•2.3. Einsatzbereiche und Anwendungen
•a) Bau
Wie Versuche nachgewiesen haben, kann der Einbau auch an schwingungsbelasteten Bauwerken, wie Brücken, ohne Einschränkung des Verkehrs erfolgen. Dies ist sowohl aus Kosten- wie auch aus verkehrstechnischer Sicht ein nicht zu unterschätzender Vorteil. Außer Betonkonstruktionen können aber auch Wände aus Mauerwerk durch kreuzweises Verlegen von CFK-Lamellen verstärkt werden. Dazu wird der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff als Lamelle oder Gewebe auf die Oberfläche von Bauteilen aufgeklebt.
Die Vorteile von CFK-Lamellen, zur nachträglichen Verstärkung von Bauwerken verwendet, gegenüber herkömmlichen Werkstoffen wie Stahl oder Holz liegen auf der Hand: CFK korrodiert nicht, hat ein sehr geringes Eigengewicht und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Der Hightechstoff ist extrem belastbar. Seine Materialkennwerte übertreffen die von Stahl bei weitem: Sein Elastizitätsmodul ist bis zu 50 Prozent, die Zugfestigkeit bis zu 10-fach höher als bei herkömmlichen Stahl. Dadurch ist Kohlenstoff in der richtigen Form ein idealer Baustoff. Erfolgt der Einbau bei niedrigen Temperaturen oder möchte man einen schnellen Verbund zwischen Bauwerk und Lamelle erreichen, können die Lamellen erhitzt werden. Die Erwärmung der Lamelle und damit des Klebers auf 70° C ermöglicht ein sehr schnelles Aushärten des Klebers und damit die Herstellung der vollen Belastbarkeit in kürzester Zeit.
[Quelle: http.24]
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| Quelle: ds |
Abbildung: CFK-Verstärkung einer Brücke
•b) Energietechnik
Ein Marktsegment aus dem Bereich der Energietechnik stellt die Windenergie dar. Besonderes Einsatzpotenzial liegt dann vor, wenn aus technischen Gründen keine anderen Werkstoffe mehr eingesetzt werden können. So sind bei Windenergieanlagen mit Rotorblattlängen von etwa 50 m und mehr nur noch Kohlenstofffasern wegen ihrer herausragenden gewichtsspezifischen Ermüdungsfestigkeit geeignet.
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| Quelle: ds |
Abbildung: Windrad-Rotorblätter aus CFK und GFK
•c) Maschinenbau
Prinzipiell gilt für den sinnvollen Einsatz z.B. eines CFK-Teiles immer die Grundregel: Mindestens eine wichtige Eigenschaft muss deutlich besser erfüllt werden als der zu substituierende Werkstoff. Extrem hohe Lastwechselbeständigkeit von CFK ermöglicht dynamisch höchst belastbare Bauteile. Gewichtseinsparung durch den Werkstoff ist vor allem bei schnell bewegten Bauteilen ein wichtiger Pluspunkt. CFK dringt in immer mehr verschiedene Einsatzbereiche des klassischen Maschinenbaus ein. Durch geschickte Kombination aus Metall und Faserverbundwerkstoffen werden die enormen Vorteile des Materials im Basisbauteil voll genutzt.
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| Quelle: ds |
Abbildung: Hochbeschleunigter Hebel
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| Quelle: ds |
Abbildung: KUKA-Leichtroboter
[Quelle: http.25]
•d) Anlagenbau
Auch im Anlagenbau hält der Einsatz von Carbon stetig an. Hier werden die Eigenschaften wie die chemische Beständigkeit, der einfachen Gestaltungsgrundlagen, die geringe Wärmeaus-dehnung und die sehr gute gewichtsbezogene Steifigkeit und Festigkeit genutzt.
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| Quelle: ds |
Abbildung: Carbonverstärkter Gaszylinder
Wo früher klassische Stahl- und Gußroste eingesetzt wurden, sind heute Chargiergestelle aus Carbonfaser-Composites in sehr vielen Fällen die erste Wahl. Die hohe Belastbarkeit bei gleichzeitig extremer Verzugsfestigkeit sind entscheidende Argumente für den Einsatz von Carbonwerkstoffen, die insbesondere bei automatisierten Prozessen zum Tragen kommen.
Die geringe Dichte und das leichte Gewicht von kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff vereinfacht nicht nur das Handling, sondern stellt auch eine hervorragende Energiebilanz gegenüber Stahlgestellen und Gußgestellen sicher.
[Quelle: http.26]
•e) Verkehrstechnik
Nach einer neuen EU-Richtlinie müssen die EU-Mitgliedsstaaten ihren CO2-Ausstoß ab 2008 auf ein vorgegebenes Niveau begrenzen. Das wirkt sich auch auf den Benzinverbrauch von Automobilen aus. Es ist bereits absehbar, dass diese Werte mit den heutigen Fahrzeugflotten nicht erreicht werden können. Da spielt der Leichtbau eine große Rolle.
Große Chancen werden in diesem Zusammenhang den kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, flankiert durch Magnesium, eingeräumt. Im Schienenverkehr ist CFK für Regionalzüge interessant, auch wenn das zunächst überraschend klingen mag. Doch im Gegensatz zu den Hochgeschwindigkeitszügen müssen Regionalbahnen durch die vielen Haltestationen häufiger beschleunigen und abbremsen. Da ist dann der Leichtbau interessant.
Eine Nutzung dieses Potentials z.B. im Großserienautomobilbau scheitert bisher an den hohen Werkstoff- und Fertigungskosten. Ein wichtiges Ziel besteht daher darin, die bisher durch große manuelle Arbeitsanteile geprägte Fertigung zu automatisieren. Eine weitere wichtige Voraussetzung ist jedoch auch, dass die gesamte Entwicklungs- und Prozesskette auf die besonderen Belange der Faserverbundwerkstoffe ausgerichtet ist. Dies beginnt beim optimalen Strukturkonzept und endet bei der Qualitätssicherung.
[Quelle: http.27]
Während teure Werkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) im Premiumsegment keine Seltenheit mehr sind, können die höheren Materialkosten in der Großserie kaum weitergegeben werden. Langfristig können deshalb nur Leichtbaukonzepte Anwendung finden, die unter den Kriterien Kosten, Stückzahl, Gewicht und Funktion die ideale Eigenschaftskombination ausweisen.
[Quelle: http.28]
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| Quelle: ds |
Abbildung: Radträger aus Carbon
•f) Luft- und Raumfahrt
Im Flugzeugbau wurden in den letzten Jahren wichtige Schritte in dieser Richtung unter-nommen, da auch hier der Kostendruck steigt und die Stückzahlen zunehmen.
Im Flugzeugbau ist der Einsatz von CFK die einzige Möglichkeit, wettbewerbsfähig zu bleiben. Faserverbundbauweisen verfügen über das Potential, den Druckrumpf (Größe etwa Airbus A 320) zukünftiger Verkehrsflugzeuge 5 bis 8 Tonnen leichter (ca. 30 %) zu bauen. Im Laufe eines Flugzeuglebens bedeutet dies eine Treibstoffersparnis von ca. 24 Millionen Litern Kerosin. Im harten Wettbewerb zur amerikanischen Flugzeugindustrie besteht zudem die Notwendigkeit, die Herstellkosten heutiger Metallrumpfbauweisen bis zum Jahr 2010 durch neue Faserverbund-bauweisen um 40% zu reduzieren.
[Quelle: http.29]
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| Quelle: ds |
Abbildung: CFK-Einsatz bei Airbus A-380
In der Raumfahrt sind die Werkstoffe CFK, Titan, Aluminium nicht mehr wegzudenken. Jede Gewichtseinsparung ist willkommen und wird entsprechend honoriert. Das strukturelle Kleben ist ein Standardprozess.
•g) Medizintechnik
CFK kann aufgrund seiner sehr hohen Röntgentransparenz und seiner Steifigkeit perfekt für medizinische Zwecke genutzt werden. Röntgenstrahlen werden von CFK kaum absorbiert und es treten durch exakte Verarbeitung und strenge Sauberkeitsvorschriften am Arbeitsplatz keine Unregelmäßigkeiten innerhalb des Bauteils auf wie in natürlichen Werkstoffen.
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| Quelle: ds |
Abbildung: CFK-Kniewadenpassteil
Abbildung: CFK-Einlegeplatten
[Quelle: http.30]
•h) Sport und Freizeit
In den 60er-Jahren erschloss man die Anwendung von Epoxidharzen, die mit der sehr teuren C-Faser verstärkt waren, für Strukturbauteile in der Raumfahrt; es folgte der Leichtbaueinsatz im militärischen und zivilen Flugzeugbau. Etwa 20 Jahre später, als der Rohstoffpreis auf unter
100 EUR/kg gefallen war, fand CFK auch Absatz bei hochwertigen Sportanwendungen wie Golf- und Tennisschlägern, Rennrädern und Angelruten.
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| Quelle: ds |
Abbildung: Mountainbike aus Carbon
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| Quelle: ds |
Abbildung: Skistöcke aus Carbon
[Quelle: http.31]
•3. Entwicklungstendenzen
Am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) beschäftigt man sich mit einem neuen Laserschneidverfahren für CFK-Werkstoffe, welches die bei der Bearbeitung auftretende thermische Schädigung der Schnittkante durch die Zufuhr von pulverförmigem Zusatzwerkstoff kompensieren soll.
Durch das Laserstrahltrennen kann der für die konventionellen spanenden Bearbeitungsverfahren übliche hohe Verschleiß vermieden werden und damit eine Produktivitätssteigerung erreicht werden. Sollen gleichzeitig hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten von mehreren Schnittmetern pro Minute auch bei dickeren Laminaten oberhalb von 3 mm erreicht werden, kommen hierfür nur Hochleistungslaser mit höchster Strahlqualität in Frage.
Am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) beschäftigt man sich mit einem neuen Laserschneidverfahren für CFK-Werkstoffe, welches die bei der Bearbeitung auftretende thermische Schädigung der Schnittkante in Form von freiliegenden Kohlefasern sowie verdampfter oder umgeschmolzener Polymermatrix durch einen neuartigen Ansatz unter in-situ-Zufuhr von pulverförmigem Zusatzwerkstoff kompensieren soll.
Durch die Ergebnisse dieses Projekts wird ein deutlicher Schub zur Etablierung des Lasers im CFK-Bereich erwartet, sowie eine von der Industrie geforderte verbesserte Wirtschaftlichkeit und dem damit verbundenen Anstieg des Produktionsvolumens von CFK-Werkstoffen ermöglicht.
[Quelle: http.32]
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| Quelle: ds |
Abbildung: neuartiges CFK-Laserschneidverfahren
Die Klebtechnik ermöglicht einen Quantensprung in der CFK-Technologie. Die Bedeutung des klebtechnischen Fügens wird - vor allem im Flugzeugbau - permanent zunehmen", steht für Dr. Dirk Niermann, Leiter der Fraunhofer-Projektgruppe Fügen und Montieren (FFM), fest. "Große Herausforderungen im Flugzeugbau liegen in einer deutlichen Beschleunigung der Montageabläufe bei gleichzeitiger Kostenersparnis. Dieses Ziel erreichen wir nur durch weitgehende Automatisierung der Prozesse - weg von manuellen Arbeitsabläufen hin zum Robotereinsatz - und Entwicklung von Klebstoffen mit einer sehr speziellen Kombination von Eigenschaften", so Dirk Niermann weiter.
[Quelle: http.33]
Der Verein CFK-Valley in Stade, ein Zusammenschluss von 77 Forschungsinstituten und Unternehmen aus dem Dunstkreis des Flugzeugbauers Airbus plant zusammen mit dem Chemiekonzern DOW eine Recyclinganlage für Faserverbundwerkstoffe. Das Trennungsverfahren, Pyrolyse genannt, ist Gegenstand einer Patentanmeldung. Eine Pilotanlage ist bereits in Betrieb.
Neueste Entwicklungen gehen sogar in die Richtung, Beton durch den Zusatz von recycelten Faserverbundstoffen duktiler (weniger spröde) und somit wesentlich belastbarer zu machen.
[Quelle: http.34]
•4. Marktpotential
Chancen ergeben sich aus dem Druck auf die Industrie, insbesondere zur Energie, aber auch zur Kosteneinsparung immer leichtere Strukturen bei gleicher Festigkeit zu produzieren. Als Beispiel sei hier noch einmal auf den zivilen Flugzeugbau verwiesen, der der Branche zu Wachstum verhilft, obwohl es im gesamten Luftverkehr zu einer Verlangsamung des Nachfragewachstums kommt. Das immer noch extrem hohe Automatisierungspotenzial in der Composites-Branche vergrößert die sich bietenden Chancen. Dieses Potenzial ist teilweise auch eine betriebliche Stärke. Neben solchen Prozessinnovationen bietet die oben dargestellte hohe Anwendungsvielfalt auch großen Raum für Produktinnovationen. Dieses Potenzial stößt auf bestehenden regionalen Märkten wegen Sättigungen an Grenzen, ist aber riesig in den sich industriell stark entwickelnden Regionen in der Welt. Beispielhaft genannt seien Transportmärkte in Asien oder der Baubereich in Osteuropa.
Potentiale:
- § Image und Bekanntheit der Werkstoffe
Anwendungsindustrien noch immer nicht bekannt. Gegenüber „herkömmlichen"
Materialien wie z. B. Stahl ist der Industriezweig noch relativ jung und das Marketing
ausbaufähig. Es fehlen Informationen schon während der (Ingenieurs-) Ausbildung
ebenso wie eine Aufklärung der Endkunden bzw. Konsumenten über Einsatzgebiete
und Produkte, die Composites-Bauteile enthalten.
- § Innovationen
ausgeschöpftes Potenzial für neue Produkte und neue Anwendungen in
bestehenden und auch in neuen Märkten. Die kontinuierliche Beobachtung von
Trends und Zukunftsmärkten muss ebenso ausgebaut werden, wie das
systematische Innovationsmanagement in den Unternehmen.
- § Nachhaltigkeit
meistens Vorteile gegenüber Konkurrenzprodukten was eine „gesamtheitliche"
Nachhaltigkeit betrifft. Wenn eine vergleichende und instrumentell stimmige
Betrachtung gleichermaßen von Ökologie, Ökonomie und sozialen Auswirkungen
vorgenommen wird, haben Composites in vielen Fällen „die Nase vorn".
[Quelle: http.35]
•5. Berufsgruppen des Handwerks
Für die Planung, Herstellung, Veredelung und Installation von Kohlefaserverbundwerkstoffe können folgende Handwerksberufe gefragt sein:
Bau und Ausbaugewerbe
- § Ausbaufacharbeiter/-in
- § Beton- und Stahlbetonbauer/-in
- § Feuerungs- und Schornsteinbauer/-in
- § Fliesen-, Platten- und Mosaikleger/-in
- § Gerüstbauer/-in
- § Hochbaufacharbeiter/-in
- § Kanalbauer/-in
- § Maler/-in und Lackierer/-in
- § Maurer/-in
- § Ofen- und Luftheizungsbauer/-in
- § Straßenbauer/-in
- § Tiefbaufacharbeiter/-in
- § Trockenbaumonteur/-in
- § Wärme-, Kälte- und Schallschutzisolierer/-in
- § Zimmerer/-in
Elektro- und Metallgewerbe
- § Anlagenmechaniker/-in, Heizungs- und Klimatechnik
- § Behälter- und Apparatebauer/-in
- § Chirugiemechaniker/-in
- § Fahrradmonteur/-in
- § Feinwerkmechaniker/-in
- § Karosserie- und Fahrzeugmechaniker/-in
- § Klempner/-in
- § Konstruktionsmechaniker/-in
- § Kraftfahrzeugmechatroniker/-in
- § Kraftfahrzeugservicemechaniker/-in
- § Mechaniker/-in für Karosserieinstandhaltungstechnik
- § Mechaniker/-in für Land- und Baumaschinentechnik
- § Mechatroniker/-in
- § Mechatroniker/-in für Kältetechnik
- § Metallbauer/-in
- § Metallbildner/-in
- § Metall- und Glockengießer/-in
- § Oberflächenbeschichter/-in
- § Schneidwerkzeugmechaniker/-in
- § Zerspanungsmechaniker/-in
- § Zweiradmechaniker/-in
Holzgewerbe
- § Bootsbauer/-in
- § Technische(r) Modellbauer/-in
- § Tischler/-in (Schreiner/-in)
Glas-, Papier-, Keramische und sonstige Gewerbe
- § Bogenmacher/-in
- § Geigenbauer/-in
- § Keramiker/-in
- § Maschinen- und Anlagenführer/-in
Bekleidungs-, Textil- Ledergewerbe
- § Weber/-in
Gesundheits-, Körperpflege- chemisches und Reinigungsgewerbe
- § Orthopädiemechaniker/-in und Bandagist/-in
- § Orthopädieschuhmacher/-in
•6. Weiterbildungs- und Qualifizierungsmöglichkeiten
Kaum eine andere Technologie bietet branchenübergreifend eine so rasante Entwicklung und enormes Potenzial wie der Faserverbund-Leichtbau. Für den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (GFK und CFK) wird ein Wachstum von mehr als 5 % pro Jahr vorhergesagt.
Die Marktentwicklungen in führenden Branchen wie dem Automobil- und Flugzeugbau, dem Schienenfahrzeug- und Schiffbau sowie dem Windenergieanlagenbau erfordern einen hohen Bedarf an Fachkräften.
Aber nicht nur die Industrie ist bestrebt Fachkräfte in diesem Bereich aus- und weiterzubilden, sondern auch die Handwerkskammern bieten gezielt Exkursionen und Informations-veranstaltungen an. Ein wichtiges Ziel der Handwerkskammern ist es, die neue Technologie immer mehr in die Handwerksbetriebe einzuführen und zu etablieren, sodass ein für die Zukunft entscheidendes Zugpferd nicht verpasst wird.
Zielgruppen sind Meister/innen verschiedener Fachrichtungen, besonders aber technische
Fachkräfte die in den Wachstumsmarkt Faserverbund-Leichtbau einsteigen wollen.
Seminare über das Thema Carbon Composites werden von den unterschiedlichsten Einrichtungen angeboten. Hier kann auf ein breites Spektrum der Aus-, und Weiterbildungsmöglichkeiten zurückgegriffen werden, wobei sich das Angebot ständig erweitert.
•7. Umsetzungsmaßnahmen
•7.1. Informationen / Literatur
- § M. Flemming und S. Roth. Faserverbundbauweisen, Springer 2003, ISBN 3-540-00636-2
- § Michaeli, Huybrechts und Wegener. Dimensionieren mit Faserverbundkunststoffen, Hanser 1994, ISBN 3-446-17659-4
- § Ehrenstein (Hrsg.): Faserverbund-Kunststoffe - Werkstoffe, Verarbeitung, Eigenschaften, Hanser 2006, ISBN 3-446-22716-4
- § A. Puck: Festigkeitsanalyse von Faser-Matrix-Laminaten, Hanser 1996, ISBN 3-446-18194-6, (kostenlos zum Herunterladen)
- § AVK - Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V., Vieweg+Teubner 2009, Handbuch Faserverbundkunststoffe, Grundlagen Verarbeitung, Anwendung, ISBN 978-3-8348-0881-3
- § R&G - Katalog und Druckschriften, www.r-g.de/downloads.html
•7.2. Fachmessen
- 24. März 2010 „Material Innovativ" Faserverbundwerkstoffe und Hightech-Metalle für Automobil und Maschinenbau;, Kongresshalle Augsburg
- 13. - 15. April 2010, JEC Composites Show 2010, Paris
- 19. - 23. April 2010, Hannover Messe 2010 „Industrial Supply" Internationale Leitmesse für industrielle Zulieferlösungen und Leichtbau;, Messe Hannover
- 08. - 11. Juni 2010, AUTOMATICA 2010, Innovation and Solutions, Neue Messe München
- 14. - 16. Sept. 2010, Composites Europe 2010, 5. Europäische Fachmesse & Forum für Verbundwerkstoffe, Technologien und Anwendungen, Messe Essen
- 19.-21. Okt. 2010, MATERIALICA 2010, 13. internationale Fachmesse für Werkstoffanwendungen
•7.3. Hersteller und Anbieter
Weltweite, nationale und örtliche Hersteller per Internetsuchmaschine suchen und finden:
http://www.wlw.de
http://www.industrystock.de
Suchbegriffeingabe von z.B.: Carbon, CFK. Kohlenfaser oder Faserverbund
Carbonteile-Hersteller aus Schwaben und nahe Umgebung:
- § Aerostruktur Faserverbundtechnik GmbH www.aerostruktur.de
- § APM Marketing GmbH www.apm-marketing.de
- § CADCON Ingenieurgesellschaft mbH & Co.KG. www.cadcon.de
- § CarboFibretec GmbH www.carbofibretec.de
- § CARBONICS Carbon Spezialprodukte Vertrieb GmbH www.carbonics.de
- § Carbon-Werke Weißgerber GmbH & Co.KG www.carbon-werke.com
- § Carbon Großbauteile GmbH www.carbon-grossbauteile.com
- § Carbon Sports GmbH www.carbonsports.com
- § C.F. Maier Europlast GmbH & Co KG www.c-f-maier.de
- § CMOR GmbH www.cmor.eu/
- § CVT GmbH & Co.KG. www.cv-technology.com
- § Eurocopter Deutschland GmbH www.eurocopter.com
- § Grob Aircraft AG www.grob-aircraft.com
- § jostec composites www.jostec.com
- § Kunststoff Wagner GmbH www.kunststoff-wagner.de
- § Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH www.liebherr.com
- § MT Aerospace AG www.mt-aerospace.de
- § Premium Aerotec GmbH www.premium-aerotec.com
- § Rheinmetall Landsysteme www.rheinmetall.com
- § RPC GmbH Rennsport Production Center www.holzer-gruppe.com
- § Rudolf Lindner GmbH & Co. KG www.ltb-lindner.com
- § SE Kunststoffverarbeitung GmbH & Co. KG www.se-k.de
- § SGL CARBON GmbH www.sglgroup.com
- § Sortimo Speedwave GmbH www.sortimo-speedwave.com
- § Rundrum Kunststofftechnik GmbH www.rundrum-kunststofftechnik.de
Material- und Halbzeugzulieferer aus Schwaben und nahe Umgebung:
- § Carbon-Werke Weißgerber GmbH & Co.KG www.carbon-werke.com
- § CARBON-COMPOSITE Technology www.carbon-composite.com
- § CARBONICS Carbon Spezialprodukte Vertrieb GmbH www.carbonics.de
- § CG TEC GmbH www.cg-tec.de
- § CMOR GmbH www.cmor.eu
- § CVT GmbH & Co.KG www.cv-technology.com
- § Gaugler & Lutz oHG www.gaugler-Lutz.de
- § Gustav Gerster GmbH & Co. KG www.gerster-techtex.com
- § h&s technologies GmbH www.carboplast.de
- § Kunststoff Wagner GmbH www.kunststoff-wagner.de
- § SGL CARBON GmbH www.sglgroup.com
- § Teijin Monofilament Germany GmbH www.teijinmonofil.com
- § Von Roll Deutschland GmbH www.vonroll.com
•7.4. Seminare / Informationsveranstaltungen
Anbieter von Einführungsseminaren
- v Handwerkskammer Schwaben, http://www.hwk-schwaben.de
- v IHK-Bildungshaus Schwaben, http://www.ihk-bildungshaus-schwaben.de
- v CCeV, Carbon-Composites, http://www.carbon-composites.eu
- v Seminarfabrik.de, http://seminarfabrik.de
- v PFH Private Fachhochschule Göttingen, http://www.pfh.de/
- v Frauenhoferinstitut IFAM, http://www.ifam.fraunhofer.de/index.php?seite=/2804/technologietransfer/ktzentrum/kunststoff/
Anbieter von Vertiefungsseminaren
- v Handwerkskammer Schwaben, http://www.hwk-schwaben.de
- v date up education GmbH, http://www.date-up.com/
- v mtec-akademie, http://www.mtecakademie.de/
- v skz, Das Kunststoff-Zentrum, http://www.skz.de/content/Joo/
- v CCeV, Carbon-Composites, http://www.carbon-composites.eu
- v IHK-Bildungshaus Schwaben, http://www.ihk-bildungshaus-schwaben.de
- v Seminarfabrik.de, http://seminarfabrik.de
- v CADFEM GmbH, http://www.cadfem.de
- v PFH Private Fachhochschule Göttingen, http://www.pfh.de/
- v SWJ-Consult GmbH, http://swj.parrot-media.de/
- v Berufsfortbildungswerk Qualifizierungs-
Zentrum für Faserverbund-Kunststoff www.bfw.de - v Frauenhoferinstitut IFAM, http://www.ifam.fraunhofer.de/index.php?seite=/2804/technologietransfer/ktzentrum/kunststoff/
•7.5. Fachberatung
Kostenlose technische Beratungsdienste bieten an:
- Handwerkskammern
- Industrie- und Handelskammern
- Fachverbände
•8. Standardfragen - FAQ
Ist es möglich Carbon zu recyceln? / Wo kann ich Carbon entsorgen?
http://www.recyclingportal.eu/artikel/21887.shtml
Die Aussage über unzureichende Recycling Möglichkeiten basiert wahrscheinlich auch nur auf der Tatsache der geringen Verbreitung von Carbon im Allgemeinen und der dementsprechend geringen Anzahl von Firmen die sich darauf spezialisiert haben.
Der Werkstoff Carbon ist allerdings viel zu teuer, um ihn einfach auf einer Deponie oder in einer Verbrennungsanlage zu entsorgen.
Das bisher wohl am häufigsten genutzte Recyclingverfahren ist das Schreddern der Composites zu kleinen Pellets, die u.a. im Straßenbau zum Einsatz kommen.
Es ist jedoch auch möglich, wenn auch aufwendiger, die Fasern in ihrer gesamten Länge zu recyceln. Sie können dann zum Beispiel in thermoplastischen Spritzgussteilen als Faserzusatz benutzt werden.
Diese werden z.B. zu leichten Innenverkleidungen in Flugzeugen oder Autos oder auch zu abschirmenden Kunststoffgehäusen in der Medizintechnik verarbeitet, wo ein Einsatz „frischer" CFK-Werkstoffe nicht sinnvoll, weil zu teuer wäre.
Der Verein CFK-Valley in Stade, ein Zusammenschluss von 77 Forschungsinstituten und Unternehmen aus dem Dunstkreis des Flugzeugbauers Airbus plant zusammen mit dem Chemiekonzern DOW eine Recyclinganlage für Faserverbundwerkstoffe. Das Trennungsverfahren, Pyrolyse genannt, ist Gegenstand einer Patentanmeldung. Eine Pilotanlage ist bereits in Betrieb.
Neueste Entwicklungen gehen sogar in die Richtung, Beton durch den Zusatz von recycelten Faserverbundstoffen duktiler (weniger spröde) und somit wesentlich belastbarer zu machen.
CFK-Recycling-Dienstleister:
- HADEG Recycling GmbH http://www.hadeg-recycling.de/
- CFK Valley Stade Recycling GmbH & Co. KG http://www.karl-meyer.de/cfk_recycling/
- YF international B.V. (Holland) http://www.yfinternational.com/
- Recycled Carbon Fibre Ltd (Schottland) http://www.recycledcarbonfibre.com/
Wird die Entwicklung von Neuprodukten aus Carbon gefördert?
Ja. Hierzu sind 3 Förderungen für das Handwerk interessant.
- § Innovationsgutschein für kleine Unternehmen / Handwerksbetriebe im Freistaat Bayern
Unterstützt werden kleine Unternehmen mit Hauptsitz in Bayern, die gemeinsam mit einem Entwicklungspartner neue, marktrelevante Produkte und Verfahren realisieren wollen.
Die Innovationsgutscheine sollen die Planung, Entwicklung und Umsetzung neuer Produkte, Produktionsverfahren oder Dienstleistungen bzw. eine wesentliche Verbesserung bestehender Produkte, Produktionsverfahren und Dienstleistungen unterstützen. Dabei können sich Unternehmen Unterstützung am Forschungs- und Technologiemarkt einkaufen.
- § Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)
http://www.zim-bmwi.de/
Mit dem „Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)" sollen die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU), einschließlich des Handwerks und der unternehmerisch tätigen freien Berufe, nachhaltig unterstützt und damit ein Beitrag zum Wachstum der Unternehmen verbunden mit der Schaffung und Sicherung von Arbeitsplätzen geleistet werden.
Kooperationsprojekte (ZIM-KOOP)
Gefördert werden FuE-Kooperationsprojekte zwischen KMU und von KMU mit Forschungseinrichtungen.
Einzelprojekte (ZIM-SOLO)
Gefördert werden einzelbetriebliche FuE-Projekte von KMU.
Netzwerkprojekte (ZIM-NEMO)
Gefördert werden externe Management- und Organisationsleistungen für die Entwicklung
marktorientierter Netzwerke innovativer KMU
Was wird gefördert?
Die KMU-Patentaktion ist in fünf Teilpakete (TP) untergliedert, deren Abfolge sich am innerbetrieblichen Entwicklungsprozess orientiert. Die SIGNO-Partner bieten, je nach Schwerpunkt, neben der Prozessbegleitung auch Dienstleistungen im Rahmen dieser Teilpakete an. Der Förderzeitraum umfasst 18 Monate.
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TP 1 |
Recherche zum Stand der Technik |
max 800,00 EUR |
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TP 2 |
Kosten-Nutzen-Analyse |
max. 800,00 EUR |
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TP 3 |
Patent- oder Gebrauchsmusteranmeldung in Deutschland |
max. 2.100,00 EUR |
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TP 4 |
Vorbereitungen für die Verwertung einer Erfindung |
max. 1.600,00 EUR |
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TP 5 |
Patent- oder Gebrauchsmusteranmeldung für das Ausland |
max. 2.700,00 EUR |
Ist die Herstellung von Carbon nicht um einiges energieintensiver als Aluminium?
Aus Untersuchungen aus dem Luftfahrtbereich ist erwiesen, das die Herstellung von Kohlefaserprodukten deutlich weniger Energie benötigt als vergleichbare Aluminiumkonstruktionen. Weiterhin entstehen bei Kohlefaserprodukten weit weniger gesundheitsschädliche Emissionen und Abfallprodukte als bei Aluminium. So hinterlässt die Herstellung einer Tonne Aluminium etwa 1,5 Tonnen des oben schon erwähnten, hochgiftigen Rotschlamms.
(Quelle: http://www.circle-cycles.de/index.php?article_id=29)
Ist Carbon umweltschädlich?
Im Mittelpunkt von vielen Diskussionen um das Thema „Carbon" steht immer öfter dessen Umweltverträglichkeit und Entsorgung. Dabei werden aber selten Vergleiche zwischen unterschiedlichen Materialien hergestellt sondern oft nur angebliche Nachteile wie unzureichendes Recycling Möglichkeiten polemisiert.
Carbon Composites werden oft als Sondermüll tituliert, wohl aus Unwissenheit über dessen Bedeutung.
Laut der aktuellen Definition ist ein Carbonrahmen eindeutig nicht als gefährlicher Abfall anzusehen, da er weder gesundheits-, luft- oder wassergefährdend, explosibel oder brennbar ist, außerdem enthält er keine Erreger übertragbarer Krankheiten.
•9. Quellen
- [Quelle: http.1] (abgerufen am 21.April 2010)
http://www.rolls.voithpaper.com/vp_de_rolls_neue-produkte_carbotec_geschichtevoncfk.htm - [Quelle: http.2] (abgerufen am 21.April 2010)
http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstofffaser - [Quelle.http.3] (abgerufen am 21.April 2010)
http://www.welt.de/debatte/kolumnen/innovation/article6061267/Federleichtes-Brett-fuer-Kite-Surfer.html - [Quelle: http.4] (abgerufen am 21.April 2010)
http://www.uni-protokolle.de/nachrichten/id/171174/ - [Quelle: http.5] (abgerufen am 21.April 2010)
http://www.avk-tv.de/article.php?id=723 - [Quelle: http.6] (abgerufen am 21.April 2010)
www.avk-tv.de/files/20081017_vortrag_tagung-aktuell-12-09-2008.pdf - [Quelle: http.7] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.innovations-report.de/html/berichte/materialwissenschaften/roboter_montieren_kleben_cfk_flugzeuge_neue_126621.html - [Quelle: http.8] (abgerufen am 21. April 2010)
www1.ikv.rwth-aachen.de/akt/pdf/ikv-se53.pdf - [Quelle: http.9] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.innovations-report.de/html/berichte/materialwissenschaften/roboter_montieren_kleben_cfk_flugzeuge_neue_126621.html - [Quelle: http.10] (abgerufen am 21. April 2010)
http://download.r-g.de/fvw-einfuehrung.pdf - [Quelle: http.11] (abgerufen am 21. April 2010)
http://mb-s1.upb.de/E-MechLAB/Verbundwerkstoff-Mechanik/Aufbau/ - [Quelle: http.12] (abgerufen am 21. April 2010)
http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstofffaser#Herstellung - [Quelle: http.13] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.lange-ritter.de/content/faserverstaerkungen-kohlefaser.php?act=a0 - [Quelle: http.14] (abgerufen am 21. April 2010)
http://mb-s1.upb.de/E-MechLAB/Verbundwerkstoff-Mechanik/Aufbau/Fasern/ - [Quelle: http.15] (abgerufen am 21. April 2010)
http://mb-s1.upb.de/E-MechLAB/Verbundwerkstoff-Mechanik/Aufbau/Fasern/Faseranordnung/Gewebe/ - [Quelle: http.16] (abgerufen am 21. April 2010)
http://de.wikipedia.org/wiki/Gelege_(Textiltechnik) - [Quelle: http.17] (abgerufen am 21. April 2010)
http://mb-s1.upb.de/E-MechLAB/Verbundwerkstoff-Mechanik/Aufbau/Fasern/Faseranordnung/Geflecht/ - [Quelle: http.18] (abgerufen am 21. April 2010)
http://mb-s1.upb.de/E-MechLAB/Verbundwerkstoff-Mechanik/Aufbau/Fasern/Faseranordnung/Gestricke+Gewirke/ - [Quelle: http.19] (abgerufen am 21. April 2010)
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http://mb-s1.upb.de/E-MechLAB/Verbundwerkstoff-Mechanik/Produkt/Herstellung/Pultrusion/ - [Quelle: http.23] (abgerufen am 21. April 2010)
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http://www.zdb.de/zdb.nsf/0/0306F90415824171C1256D66004BC026?openDocument - [Quelle: http.25] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.mayr-cfk.de/cfk_maschinenbau.html - [Quelle: http.26] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.gtd-graphit.de/anwendungen/hochtemperatur/ - [Quelle: http.27] (abgerufen am 21. April 2010)
http://bayern-innovativ.de/e210f368-8209-21d9-b5fe-e35855f23a27 - [Quelle: http.28] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.vda.de/de/arbeitsgebiete/klimaschutz_leichtbau/index.html - [Quelle: http.29] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.ctc-gmbh.com/de/_pdf/automotive-m.pdf - [Quelle: http.30] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.mayr-cfk.de/cfk_medizintechnik.html - [Quelle: http.31] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.werkstoff-und-struktur.de/information/kunststoffe0306.pdf - [Quelle: http.32] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.lzh.de/de/publikationen/Pressemitteilungen/2010/neuartigeslaserschneidverfahrenf%C3%BCrcfkwerkstoffe - [Quelle: http.33] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.uni-protokolle.de/nachrichten/id/171174/ - [Quelle: http.34] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.karl-meyer.de/cfk_recycling/ - [Quelle: http.35] (abgerufen am 21. April 2010)
http://www.avk-tv.de/files/20091029_dr._witten_marktbericht_2009.pdf