Kunststoff- und Carbon-Parts
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Unsere Leistungen im Bereich Kunststoff:
Herstellung / Entwicklung
Formteile, Plattenmaterial und Winkelprofile,
Leichtbauteile in der Sandwich-Bauweise sowie
Entwicklung und Modifizierung in den Bereichen Modell-
und Formenbau
Reparaturen
Aller faserverstärkten Kunstoffe, auch
Kunststoffstoßstangen aus Polyurethan, Kurzbezeichnung: PUR
 
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Inhalt 
  
Das Prinzip Das Gewebe Der Harz
  
Die Verarbeitung Der Leichtbau Verbindung
  
Werkzeuge Die Gesundheit Referenzen
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Das Prinzip
In den 60er und 70er wurde noch überwiegend Stahl, Aluminium und Holz an
Rennautos verbaut, bis der Engländer John Barnard von McLaren bei
Flugzeugherstellern auf das Material Kohlefaser stieß und gleich
begeistert war. 1981 wurden die ersten Kohlefaser-Teile an einem
Formel-1- Auto verbaut. Nach und nach musste der
Stahlrohrrahmen und das Aluminium-Chassi der
Kohlefaser weichen. Wenn es heute darum
geht, ein Bauteil mit sehr geringem
Eigengewicht aber dennoch mit
einer sehr hohen dynamischen
Belastung herzustellen, dann
heißt die Antwort Kohlefaser.
Bei der richtigen Anwendung
ist die Festigkeit bis zu
zehnfach höher als bei metallischen
Werkstoffen. Dadurch, dass Gewichtsersparnis
zur Steigerung der Leistung hilft, hat die Kohlefaser
(Carbon) speziell im Motorsport einen sehr hohen Stellenwert bekommen.
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Faserverbundkunststoffe
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Die am meisten verwendeten faserverstärkten
Kunststoffe auch FVW Faserverbundwerkstoffe genannt, sind
GFK glasfaserverstärkte Kunststoffe
CFK kohlefaserverstärkte Kunststoffe
AFK aramidfaserverstärkte Kunststoffe (auch Kefler genannt)
Die Art der Faser hängt meist von der Verwendung der
Bauteile selbst ab.
Die Glasfaser
ist hierbei die kostengünstigere Variante und wird meist durch ihr
günstiges Korrosionsverhalten zum Bau von Bootsrümpfen oder im
Behälter-Bau verwendet. In Sachen Steifigkeit und Gewicht hat die Glasfaser der Kohlefaser gegenüber einen
klaren Nachteil.
Die Kohlefaser
im Englischen auch carbon fibre genannt, hat in der einzelnen Kohlefaser einen Durchmesser von 5-6 Mikrometer. Davon werden 1.000 bis 24.000 Fasern zusammen auf eine Spule gewickelt. Diese kann dann je nach Verwendungszweck wie auch die Glasfaser oder Aramidfaser zum Beispiel zu einer Gewebestruktur gewebt werden, die sich dann meist Leine
oder Körper nennt. Trotz ihres, im Vergleich zu anderen Fasern, noch hohen Preises ist die Kohlefaser (Carbon-Faser) in ihren Eigenschaften
niedriges Gewicht hohe Festigkeit
hohe Steifigkeit sehr geringe Wärmedehnung
kein Magnetismus gute Wärmeleitung
hohe Röntgentransparenz
und vor allen Dingen ihre Ermüdungsbeständigkeit in Sachen Verbundkunststoffe ohne Konkurrenz.
Durch ihre Eigenschaften und den hohen Preis wird die Kohlefaser meist in Luft und Raumfahrt sowie bei Sportgeräten verwendet.
Die Aramidfaser
auch bekannt unter dem Namen Kefler, wird durch ihre hohe Reis- und Zugfestigkeit auch als Fangleinen bei Gleitschirmen oder generell im Flugzeug und Triebwerksbau verwendet. Auch zum Thema Personalschutz: Panzerungen für Fahrzeuge, Splitterschutz und schusssichere Westen ist die Aramidfaser ( Kefler) sehr geeignet.
Durch ihren geringeren Harzanteil bei der Verarbeitung (anders bei der Kohlefaser oder Glasfaser) bricht das Harz,
was die Aramidfaser umschließt, bei einer Überbelastung durch. Die Faser aber bleibt ganz.
Eine Pistolen- oder Gewehrkugel dringt zwar in das Bauteil ein, sie hat aber keine Chance sich einen Weg zu suchen, weil sie von der aufgespulten Faser umschlossen wird.
Voraussetzung ist natürlich die, von Ballistikern zuvor berechnete Konstruktion des Bauteils, wobei sowohl die Materialstärke als auch die Überlappung der einzelnen Lagen eine Rolle spielt. In der Formel 1 sind z.B. die Fangseile an der Radaufhängung aus Kefler-Seilen geflochten, sodass sie bei einem Crash nicht unkontrolliert durch die Luft fliegen.
Auch im Motorsport wird häufig die Kohlefaser mit der Aramidfaser in einem Gewebe verwebt (Hybrid), sodass bei einer Überbelastung die Carbonfaser zwar bricht, die Aramidfaser aber dafür sorgt, dass das Teil nicht abreißt.
Bei diesen Eigenschaften kann man sich vorstellen, dass die Ver- und Bearbeitung dieser Faser ohne die entsprechenden Werkzeuge nicht unbedingt viel Spaß macht.
Geeignete Werkzeuge sind mikroverzahnte Scheren für das Gewebe, und eine Wasserstrahl-Maschine eignet sich bestens zum Bearbeiten von fertigen Bauteilen.
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Der Harz/Härter
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Herstellung von Faserverbundkunststoffen
Die Voraussetzungen, um einen hochwertigen Faserverbundkunststoff herzustellen, sind im Grunde immer gleich.
Darauf sollte man achten:
Der Harz/Härter-Anteil
sollte auf jedem Quadratzentimeter gleich sein, wobei der Faser-
Anteil höher sein sollte als die Matrix, um einen
höheren Faservolumenanteil zu bekommen.
Lufteinschlüsse
zwischen den einzelnen Lagen verhindern die Verbindung der
Faser und sorgen für Schwachstellen in Laminat. Auch Fett, Öl,
Schleifstaub und andere Fremdstoffe beeinträchtigen die Stabilität
erheblich und sorgen bei einem unter Belastung stehenden Bauteil für
frühzeitiges Delaminieren, auch Faser-Pull-Out genannt.
Die Konstruktion eines Bauteils
Hierbei spielen nicht nur die Eigenschaften der Fasern eine Rolle, sondern
auch die Richtung, in der sie verarbeitet werden.
Die Faserrichtung der einzelnen Lagen ist deswegen so wichtig, weil sie die Kräfte nur in Längstrichtung
leitet (absorbiert).
Die Steifigkeit eines faserverstärkten Kunststoffs ist also immer in Faserrichtung wesentlich höher als quer zur Faser.
Die Legepläne zum Bau eines Bauteils auch Lay-Up-Plan genannt werden im Hochleistungssport, in der Luft- oder Raumfahrt von Kunststoff-Spezialisten anhand eines Computerprogramms erstellt. Nur sie legen fest, wieviel Lagen und
in welche Richtung das Gewebe verarbeitet wird.
Diese Programme werden mit Daten jahrzehntelanger Erfahrung und mit Hilfe von Crash-Tests erstellt.
Die Verarbeitung der verschiedenen Gewebefaserarten
teilt sich in zwei sehr unterschiedlichen Verfahren: Pre-Preg und Handlaminat.
Handlaminat / Nasslaminat,
ist mit Sicherheit eine hochwertige Variante Faserverbundkunststoff herzustellen und gilt als preisgünstigere Alternative zum Pre-Preg-Verfahren.
Das mit Härter angerührte Harz wird mit Hilfe eines Pinsels oder auch einer Spezialrolle direkt auf das Gewebe gebracht.
Man hat die Möglichkeit die einzelnen Lagen vorzulaminieren und dann erst in die Form zubringen,
oder man legt das Gewebe direkt in die mit Trennmittel zuvor bearbeitete Form und gibt dann das Harz dazu.
Das Trennmittel sollte nach der Formgebung und der erwünschten Oberfläche gewählt werden. Je nach Harzsystem kann man Naßlaminate bei bis zu ca. 60°C thempern.
Das heißt, das fertig laminierte Teil wird nach einer Ablüftungszeit in einem Ofen bei maximal 60°C gebacken, wobei die Themparaturbelastung später nach der Aushärtung bei maximalen 60°C bleibt.
Zu der Qualität (Oberfläche und Stabilität) eines Nasslaminatbauteils gilt nur zu sagen: Übung macht den Meister. Selbst Nasslaminatspezialisten, die Tag für Tag eine qualitativ hochwertige Arbeit abliefern, brauchen nach einer längeren Pause wieder eine Eingewöhnungsphase, um zu ihrer gleichen Form zurückzufinden. Andere wiederum lernen es nie.
Pre-Preg,
im englischem preimpregnated fibres und zu Deutsch vorimprägnierte Faser genannt, ist mit Sicherheit die aufwendigere aber auch qualitativ hochwertigere Variante.
Das Pre-Preg-Gewebe ist schon vom Hersteller aus mit der Matrix einem Harz/Härter-Anteil umgeben.
Das hat dem Nasslaminat gegenüber den Vorteil, dass der Harz-Anteil pro Quadratzentimeter immer gleich ist.
Das Pre-Preg-Material fühlt sich ein bisschen klebrig an, auch tacky genannt und lässt sich in der Verarbeitung etwa mit einer dünnen Wachsplatte vergleichen, was beim Handling natürlich Vorteile hat.
Zu Beachten ist auch, dass das Pre-Preg-Material zur Lagerung bei -20°C eingefroren werden muß
und gleich nach dem Auftauen anfängt zu reagieren.
Das heißt, Bereiche in denen das Pre-Preg verarbeitet wird, müssen unbedingt klimatisiert sein. Den nur bei ca. 18°C lässt sich die Matrix am besten und längsten verarbeiten. Ein Wiedereinfrieren ist zwar möglich, verlängert aber nur bedingt die Lagerzeit.
Ein Pre-Preg-Bauteil hat erst seine hohe Qualität erreicht, wenn es unter Vakuum in einem Druckbehälter (Autoklave) mit hoher Temperatur ausgehärtet ist.
Dazu wird das fertig laminiert Bauteil mit einer Trennfolie und einem Spezialflies in eine Vakuumtüte eingepackt.
Die Trennfolie dient dazu, dass der Flies nicht am Laminat klebt, wenn das Harz anfängt zu fliessen.
Das Flies hat die Aufgabe, die Luft aus dem gesamten, eingetüteten Bauteil herauszusaugen.
Das mit einem Bar unter Druck stehende Teil wird in einen speziellen Ofen, auch Autoklave genannt, eingeschlossen.
Der Autoklave wird mit Luft gefüllt.
Die Temperatur und der Luftdruck, bei der das Teil gebacken wird, hängt meist vom Harzsystem und der Verwendung des Bauteils ab.
Durch die hohe Temperatur, den Druck im Ofen und den Unterdruck in der Tüte, erhöht sich der Faservolumenanteil auf das Maximum und die Lufteinschlüsse sind gleich Null.
Es entsteht ein absolutes hightech-faserverstärktes Kunststoffteil.
Diese Verfahren werden meist in der Luft- und Raumfahrt und im Hochleistungssport sowie in der Medizintechnik verwendet.
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Zum Prinzip Leichtbau gehört der Sandwichbau.
Die Sandwichbauweise kann man sich ganz einfach vorstellen: Man hat eine Deckschicht, z.B. Kohlefaser,
dann kommt ein Kernmaterial, z.B. ein Hartschaum und zum Schluss
 wieder eine Deckschicht.
Diese Schichten müssen fest miteinander verbunden sein,
nur dann funktioniert das Prinzip.
Die Deckschichten sorgen für die auftretenden Zug- und Druckkräfte.
Das Kernmaterial übernimmt die Schubkräfte und sorgt für den
Abstand zwischen den Deckschichten.
Honeycomb
ist eine, im Querschnitt gesehene, sechseckig (hexagonal) geformte
Wabe. Durch die wabenförmige Struktur ist die mechanische
Festigkeit enorm. Das Material, aus dem die Wabe ist, kann aus
Aluminium oder Aramid-Papier sein.
Das Alu-Honeycomb
ist sehr teuer und wird meist in Bauteilen verwendet, die hohe Kräfte
aufnehmen sollen, z.B. Monocoques oder Crashboxen.
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Verbindung
Bei einer Verbindung zwischen einem oder mehreren Teilen ist zu sagen, dass eine Verklebung
immer besser ist, als die Verbindung durch ein Laminat, wobei der Klebefilm so dünn wie möglich sein sollte.
Man hat die Möglichkeit seinen Kleber mit Epoxidharz selbst anzurühren, zum Beispiel mit Kieselsäure oder Aluminiumpulver. Auch eine Einfärbung mit einer speziellen
 Farbe für Epoxidsysteme ist möglich.
Die bessere Variante ist ein spezieller Konstruktionskleber.
Der im Motorsport oft verwendete 2-Komponenten-
Kleber der Firma 3M heißt Scotch Weld DP 490 und ist ein
Konstruktionskleber auf höchstem Niveau, der für Verklebungen
zwischen Faserkunststoff und Metall sehr geeignet ist. Aufgrund seiner
zähelastischen und hochfesten Eigenschaft wird er oft zur Verklebung von aerodynamischen Teilen an Rennautos verwendet,
wie z.B. Heckflügeln oder Lufthutzen.
Aber egal für welche Variante man sich entscheidet, wichtig ist
die Vorarbeit, wie bei einem Lackierer. Die Fläche muß angeraut sein,
sodass die Matrix in das zu verbindende Material eindringen kann.
Schmutz, Trennmittel und Fett müssen sorgfältig entfernt werden, am besten mit Aceton. Das Aceton reichhaltig auftragen und mit einem Lappen verreiben, den Vorgang nach einer 15-minütigen Ablüftzeit wiederhohlen und dann sorgfältig abblasen.
Kleber
Wie schon angesprochen, eignet sich der Scotsh Weld DP 490 von 3M am besten.
Er ist ein zähelastischer und hochfester Zweikomponenten-Epoxidkleber, der bei Raumtemperatur aushärtet.
Der Klebefilm sollte nicht dicker als 0,05 – 0,15 mm sein.
Die Verarbeitungszeit ist ca. 1-2 Std. bei Raumtemperatur.
Die Aushärtungsphase kann durch Erhitzung (maximal 85°C) beschleunigt werden.
Der Temperatureinsatzbereich liegt bei –55°C bis 120°C. |
Hier noch weitere Daten vom Hersteller
Die Verarbeitungszeit ca. 90 Minuten
Die Weiterverarbeitung 4-8 Std.
Die Aushärtung bei 23°C 7 Tage
bei 65°C 3 Std
oder 1 Tag bei 23°C + 1Std bei 80°C
Physikalische Daten
Basis Härter
Basis mod.Epoxidharz mod. Polyamin
Farbe schwarz weiß
Konsistenz pastös pastös
Festkörper 100% 100%
Spez. Gewicht 1,0 g/cm³ 1,0 g/cm³
Mischungsverhältnis 2 1
Zugscherfestigkeit nach DIN 53283
Prüftemperatur 7 Tage bei 23°C 2 Std. bei 65°C 24 Std. bei 23°C + 1Std bei 80°C
23°C 26MPa 30Mpa 30MPa
80°C 15Mpa 17Mpa 17MPa
120°C 2Mpa 2MPa 2MPa
1.000.000 Pa = 1 MPa = 10 bar = 1 N/mm²
Hier noch ein paar Werkzeuge und Hilfen
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Am besten lässt sich der Verbund-Kunststoff mit einem kleinen
Winkelschleifer bearbeiten. Und mit den entsprechenden Aufsätzen
lassen sich die Bauteile in allen Bereichen bestens bearbeiten.
Wenn Sie zum Beispiel eine kleine Trennscheibe auf den
Winkelschleifer montieren (Bild) können Sie auch die kleinsten
Ausschnitte nahezu perfekt beschneiden.
Die Firma Pferd, die ein großes Sortiment an Schleifmitteln
anbietet, ist von der Qualität sehr gut und zu empfehlen.
Es gibt auch 1 mm dünne
Trennscheiben für die normalen Winkelschleifer,
die sich für größere Zuschnitte noch besser eignen.
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Zum Endbearbeiten von Kanten oder Ausschnitten eignen sich am besten Diamant-Werkzeuge (Feilen, Senker, Bohrer) auch über uns erhältlich.
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So, - die besten Werkzeuge habe ich euch nun gesagt,
aber die sind nun mal auch nicht die billigsten.
Hier noch ein Tipp um die Kosten im Rahmen zu halten:
Man braucht eigentlich nur ein Teppichmesser, beidseitiges
Klebeband, Schleifpapier (Körnung 100 oder 120) und eine Unterlage
z.B. ein Rührholz. Kleben Sie einfach mit dem beidseitigem Klebeband das
Schleifpapier auf das Holz und das Werkzeug ist fertig.
Und wie gesagt, die Staubmaske nicht vergessen !!!!
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Zum Thema Gesundheit
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Eines sollten Sie beachten, egal was Andere sagen: Das Bearbeiten
von Kunststoffen ist nicht gesundheitsfördernd. Zu vermeiden
ist, dass die Haut mit dem Harz-Komponenten in Verbindung
kommt, das könnte andernfalls zu Verätzungen oder
Verbrennungen führen. Bei Ausdämpfungen kann es zu
Augen- und Schleimhaut-Reizungen kommen bis hin
zu Atemlähmung und in extremen Fällen auch zum
Herzstillstand. Beim Bearbeiten von vorgefertigten
Kohlefaserkunststoffen ist zu beachten, dass beim
Beschneiden oder Schleifen der Bauteile die,
durch die Luft fliegenden Kohlestaubpartikel kleine
Wiederhacken haben, die sich in der Lunge festsetzen
und Lungenkrebs verursachen können.
Also das wichtigste Handwerkszeug ist auf jeden Fall:
Handschuhe: Hier bei eignen sich am besten Latex-Handschuhe.
Atemschutz: Atemschutz gegen die Dämpfe. Bei kleinen Mengen einen gut belüfteten Raum wählen.
Staubmaske: Das Wichtigste! In jedem Baumark zu bekommen (oder bei uns).
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