In diesem Kurstext und dem nächsten Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker ausführlich alles zum Thema Verbundwerkstoffe.
“Ein Verbundwerkstoff ist eine kombinierte Paarung von mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen, die unterschiedlichen oder gemeinsamen Werkstoffhauptgruppen zugehörig sind.”
Auf dem obigen Bild handelt es sich um den Auschnitt eines Amaturenbretts aus einem Pkw. Das verwendete Material ist Carbon, bzw. Karbon.
Es handelt sich um einen Verbundwerkstoff, bei welchem Fasern aus Kohlenstoff in eine Matrix aus Kunststoff eingelagert sind. Die Matrix erzeugt eine Verbindung zwischen den Fasern und füllt die Zwischenräume aus.
Verbundwerkstoffe – Grundlegendes
“Die Wahl für den Einsatz eines Verbundwerkstoffes fällt immer dann, wenn Eigenschaften gefordert werden, die ein Werkstoff allein nicht stemmen kann.”
Man erzeugt eine „Win-win-Situation“ indem die positiven Eigenschaften eines Werkstoffes durch einen anderen Werkstoff oder mehrere anderen Werkstoffe verstärkt werden. Anders herum betrachtet, kann ein zusätzlicher Werkstoff auch dazu genutzt werden, bekannte Schwächen sowie Risiken des anderen Werkstoffs komplett auszugleichen oder zumindest maßgeblich zu reduzieren. Denn oft kann ein Werkstoff allein nicht alle gewünschten Anwendungen erfüllen.
In manchen Fällen können bestimmte Werkstoffeigenschaften auch grundsätzlich erst durch eine Kombination erreicht werden.
Nicht selten findest du die Bezeichnung Kompositwerkstoff anstelle von Verbundwerkstoff. Beide Begriffe beziehen sich aber auf die gleiche Kombination von Werkstoffen.
Verbundwerkstoffe aus Polymeren – Eigenschaften
Ausschlaggebend für Qualität eines Kompositwerkstoffes sind geometrische und stoffliche Eigenschaften der Verbindungspartner. Speziell die Größenunterschiede sind oft ein Faktor.
Erzeugt wird die Verbindung zumeist über einen
- Stoffschluss (Kohlefaser)
Oder
- Formschluss (Laminat)
In der Verpackungsindustrie verwendet man mit Verbundstoff einen weiteren Begriff für die Kombination von Materialien. Auf internationale Ebene spricht man häufig von Compound-Werkstoffen, wobei das Compound auf Deutsch Mischung heißt und sich auf kunststoffhaltige Verbundwerkstoffe bezieht.
Compoundierung von Polymeren
Bei der Compoundierung werden sortenreine Grundstoffe oft in einer Lösung vermischt und homogenisiert. Andere Werkstoffpaarungen erfolgen ohne Vermischung. Letztlich geht es darum, dass der neue Werkstoff bessere Eigenschaften besitzt als der einzelne Werkstoff in Summe. So ist einer der Hauptfaktoren die langfristige, auch unter Belastung bleibende Verbindung der Werkstoffphasen miteinander.
Ziele der Compoundierung
Im Idealfall hätten wir zwei Werkstoffe, die wir einfach kombinieren und am Ende steht ein „Superwerkstoff“ der alles kann. So schön dieser Gedanke auch ist, so schwierig ist er in der Realität umzusetzen. Denn gewünschte Eigenschaften können oft nur dann erreicht werden, wenn auf der anderen Seite Abstriche gegenüber anderen Eigenschaften in Kauf genommen werden.
Oft beeinflussen sich positive Eigenschaften zweier Werkstoffe gegenseitig negativ.
Verbundwerkstoffe aus Polymeren – Optimierung / Vorteile
Dennoch gibt es viele Anwendungsfälle in deinen die Kombination positive Auswirkungen hat. Nachfolgend findest du eine Liste von Beispielen aus dem Bereich Kunststoff in denen dies gelungen ist:
- Steigerung der Zugfestigkeit bei Polymeren durch Zugabe von Verstärkungs- und Füllstoffen,
sowie
- Einstellung der Farbe durch Zugabe von Pigmenten oder Flüssigfarben für unterschiedliche Werkstoffgruppen,
sowie
- Reduzierung der Entflammbarkeit durch Zugabe von Flammschutzmitteln,
sowie
- Verbesserung der Witterungsbeständigkeit von Kunststoffteilen, beispielsweise an Fahrzeugen oder Gebäuden durch Zugabe von Stabilisatoren,
sowie
- Verbesserte Beständigkeit gegenüber Abscheren und Temperatureinflüsse durch Zugabe von Stabilisatoren,
sowie
- Verbesserte Bearbeitbarkeit durch Zugabe von Verarbeitungshilfsstoffen,
Im Bereich Spritzguss wird das flüssige Polymer in Formen gespritzt und relativ schnell durch Kühlung erstarrt. Damit das Kunststoffteil direkt der Form entnommen werden kann und nicht an den Wandungen dieser anhaftet, fügt man dem Polymer einen Entformungshilfsstoff bei, der jedoch bei der späteren Nutzung des Formteils keine Funktion mehr erfüllt.
Unterteilung des Verbundes nach Formfaktoren
Unter geometrischen Gesichtspunkten lassen sich nachfolgende Formen unterscheiden:
- Faserverbundwerkstoffe (Kurzfaser, Langfaser, Endlosfaser)
sowie
- Teilchenverbundwerkstoffe (Partikel, Dispersionen)
sowie
- Laminate (geschichtete Verbundwerkstoffe)
sowie
- Strukturverbundwerkstoffe
sowie
- Durchdringungsverbundwerkstoffe.
Gelegentlich ist ein Werkstoff, der einen Verbund mit einem anderen Werkstoff eingehen soll, selbst bereits ein Verbundwerkstoff.
Verbundwerkstoffe aus Polymeren – Herstellung
Je nach Bestimmungszwecke lässt sich der polymere Verbundwerkstoff unterschiedlich herstellen.
Teilchen- und Faserverbundwerkstoffe
Hier werden Teilchen des einen Werkstoffs in die Matrix des anderen Werkstoffs eingebettet. Dieser Vorgang erfolgt in Lösungen, die anschließend erstarren.
Ein Beispiel für die Komplexität dieser Verbindung sind Faserverbundwerkstoffe. Bei diesen existieren auf molekularer Ebene Bereiche in denen Fasern, in die eine Richtung verlaufen und andere eine andere Richtung aufweisen.
Laminat
Diese Schichtverbundwerkstoffe werden, wie der Name es bereits verrät, aus mehreren Schichten hergestellt. Dabei ist die obere Schicht zumeist für höhere Belastungen ausgelegt, wohingegen die darunter liegenden Schichten anderen Funktionen wahrnehmen. Hier ist ein Verkleben oder thermisches Verschweißen üblich.
Durchdringungswerkstoffe
Hier erzeugt man das Hauptmaterial (Trägermaterial) offenporig (bspw. Sintern) und füllt es anschließend mit einem matrixfüllenden Bindemittel aus. Die gängigen Verfahren sind hier Tränken oder Lackieren.
Videoclip – Verbundwerkstoffe – Herstellung
In diesem Video erhältst du einen Überblick zu den unterschiedlichen Verbundwerkstoffen und einen Einblick in die Verfahren mit denen Verbundwerkstoffe erzeugt werden können. Auch die genau Bezeichnung in den Verfahren stellen wir dir hierbei vor.
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