Thermoplastische Faserverbundwerkstoffe

Faserverbundwerkstoffe sind auf Grund ihrer herausragenden Eigenschaften bereits jetzt in zahlreichen Anwendungen unverzichtbar. Bisher sind hierbei meist Verbundwerkstoffe aus Kombinationen von endlosen Glasfasern (GFRP) oder Carbon- bzw. Kohlenstofffasern (CFRP) mit einer Polymermatrix wie Epoxidharz, so genannte faserverstärkte Duroplaste, im Einsatz. Duroplaste als Matrixmaterialien können jedoch nicht in allen Fällen den hohen Anforderungen von High-End-Anwendungen gerecht werden.
Eine Familie fortschrittlicher Verbundwerkstoffe bietet vielfältigere Anwendungsmöglichkeiten: Thermoplastische Verbundwerkstoffe. Dabei handelt es sich um faserverstärkte Kunststoffe, die eine thermoplastische Matrix anstelle einer duroplastischen Matrix aufweisen.
Thermoplastische Faserverbundwerkstoffe bestehen aus zwei Bestandteilen: Einer Faserverstärkung, in der Regel aus Kohlenstoff- oder Glasfasern, sowie einem Matrixwerkstoff aus thermoplastischem Kunststoff. Durch die Kombination lassen sich die vorteilhaften Eigenschaften der beiden Bestandteile ausnutzen.

Die Art der Faser sowie die Faserarchitektur des eingesetzten Verstärkungsstoffs kann dabei maßgeschneidert auf den Anwendungsfall angepasst werden. Als Matrixmaterial können fast alle thermoplastischen Polymere verwendet werden, von Commodities wie Polypropylen bis hin zu Hochleistungskunststoffen wie PEEK. Als Verstärkung sind neben den bekannten Kohle- oder Glasfasern auch andere Fasertypen wie Aramid, Basalt oder Naturfasern verwendbar.

Das Ensinger Composites-Portfolio umfasst eine breite Palette an verschiedenen technischen und Hochtemperatur-Kunststoffen mit Endlosfaserverstärkung aus Kohlefasern, Glasfasern, synthetischen oder Naturfasern. Von Materialien wie Prepregs und Organoblechen über Lagerformen wie Platten bis hin zu maßgeschneiderten Produkten - Unsere Experten begleiten Sie mit Fachkompetenz und langjähriger Erfahrung auf dem Gebiet der hochwertigen Verbundwerkstofflösungen.


Produktportfolio

Prepreg and Semipreg

Thermoplastische Prepregs und Semipregs werden von uns in unterschiedlichen Polymer- und Gewebekombinationen hergestellt. 

Organobleche

Thermoplastische Organobleche werden aus Prepreg, Semipreg-Material oder im Film-Stacking-Verfahren gefertigt, wobei wir die eingesetzten Komponenten individuell auf Ihren Anwendungsfall anpassen können.

Verbundwerkstoff-Platten

Platten aus thermoplastischen Faserverbundkunststoffen können in einer Dicke von 1 mm bis 55 mm in Abmessungen bis zu 1200 x 900 mm und in Dicken bis 95mm in einer Grösse von 500 x 600 mm geliefert werden. Dabei werden die meisten thermoplastischen Matrixmaterialien angeboten.

Bauteile aus Verbundwerkstoffen

Thermoplastische Faserverbundwerkstoffe können vielfältig eingesetzt werden. Während Organobleche für flache Bauteile prädestiniert sind, lassen sich mit den richtigen Prozessen und Werkzeugen auch geometrisch komplexe oder sogar hohle Strukturen aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen herstellen. Wir unterstützen sie von der Idee bis zur Prototypenherstellung.

Materialkombinationen

Thermoplastische Hochleistungs-Faserverbundkunststoffe sind in zahlreichen Materialkombinationen erhältlich, die es ermöglichen, den Verbundwerkstoff maßgeschneidert auf die jeweilige Anwendung anzupassen:

Hochleistungs- Matrixmaterialien

  • Polyetheretherketone (PEEK)
  • Polyetherketoneketone (PEKK)
  • Polyetherimide (PEI)
  • Polyphenylene sulphide (PPS)
  • Polyether sulfone (PES)
  • Niederschmelzendes Polyaryletherketon PAEK (LM-PAEK)

Technische Matrixmaterialien

  • Polyamide 6 (PA 6)
  • Polyamide 66 (PA 66)
  • Polyphthalamide (PPA/PA9T)
  • Polyoxymethylene (POM)
  • Polybutylene terephthalate (PBT)
  • Bio-basierte, biologisch abbaubare polymere

Standard Matrixmaterialien

  • Polycarbonate (PC)
  • Polypropylene (PP)
  • Styrene acrylonitrile (SAN)

GFRP: Glasfaserverstärkter Kunststoff

Es sind verschiedene Glasfasergewebe erhältlich:
  • Leinwand
  • Körper 2/2
  • US7781
  • BiMax +/-45°

CFRP: Carbonfaserverstärkter Kunststoff

Es sind verschiedene Kohlenstofffasergewebe erhältlich:

  • Leinwand
  • Körper 2/2
  • Atlas 5HS
  • BiMax +/-45°
  • UD Gewebe
  • Flor/Vlies

Andere Verstärkungsmaterialien

  • Synthetische Fasern wie Aramid, PA66, PET
  • Naturfasern wie Basalt oder Flax

Ensinger bietet auch Composites Materialien mit speziellen Kunststoffen, Formulierungen und Blends an, unter anderem:

  • Medical Grade PEEK
  • Flammresistentes Polycarbonat für die Verwendung im Flugzeuginnenraum
  • Composites mit niederschmelzendem Polyaryletherketon PAEK (LM-PAEK)

Für andere Materialien und Kombinationen zögern Sie bitte nicht, uns zu fragen.


Wie werden unsere Materialien hergestellt?

Aus den Rohmaterialien Kunststoffgranulat und Fasergewebe wird zunächst das Semipregmaterial hergestellt. Der Prozess der Semipreg-Fertigung beginnt mit dem Mahlen des Kunststoff-Granulats. Das Spektrum der thermoplastischen Polymere, die im Haus zu Pulvern gemahlen werden können, reicht von technischen Kunststoffen wie PP, PA6 und PC bis hin zu Hochleistungskunststoffen wie PPS, PEI und PEEK. Mit ihren engen Toleranzen erfüllen die pulverisierten Materialien die hohen Anforderungen, die an die Ausgangsprodukte moderner Verbundwerkstoffe gestellt werden.

Das Pulver wird anschliessend in der Prepreganlage auf textile Halbzeuge, zum Beispiel Kohlenstoff- oder Glasfasergewebe aufgetragen, aufgeschmolzen und verpresst. Das dabei entstehende Halbzeug wird Semipreg genannt. 

Wird das Semipreg anschliessend noch durch eine Doppelband- der Step-Presse konsolidiert und imprägniert, spricht man von einem Prepreg. Als Organosheet bezeichnet man eine mehrlagige Zusammenstellung von Prepregs, die konsolidiert sind.

Die Weiterverarbeitung der Semipreg-Materialien zu Prepregs und Organoblechen findet auf der eigenen Doppelbandpresse im Hause Ensinger statt. Mit einer Arbeitsbreite von bis zu 1800 mm verarbeitet die Doppelbandpresse neben den hauseigenen thermoplastischen Semipregs auch unidirektionale (UD) Materialien, UD-Kreuzlagenmaterialien, Laminate und Sandwich-Laminate mit verschiedenen Kernmaterialien wie Schaumstoff oder Waben. Realisierbar sind verschiedene Kombinationen von Textilien und Polymermatrixmaterialien, einschließlich Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- und Naturfasern. Auf der Doppelbandpresse können so thermoplastische Verbundwerkstoffe in hohen Stückzahlen in Serie hergestellt werden.
Wir unterstützen sie bei der Weiterverarbeitung unserer Materialien. Mit über 15 Jahren Erfahrung in der Bauteil- und Prozessentwicklung im Bereich der thermoplastischen Composites können wir ihnen eine massgeschneiderte Lösung für ihre Anwendung bieten.

Vorteile Thermoplastischer Verbundwerkstoffe

Thermoplastische Faserverbundkunststoffe haben einzigartige Eigenschaften und viele Vorteile gegenüber unverstärkten und kurzfaserverstärkten Kunststoffen sowie gegenüber faserverstärkten Duromeren.
  • Durch ihre deutlich höhere Schlagzähigkeit und damit höhere Schadenstoleranz sind thermoplastische Verbundwerkstoffe wesentlich besser für Anwendungen in rauen Umgebungen geeignet als Duroplaste. Darüber hinaus sorgt die hohe Bruchdehnung der Thermoplaste für ein zähes, nicht sprödes Bruchverhalten. Für einige Anwendungen kann auch die Eigenschwingungsdämpfung der Matrix ein relevanter Vorteil sein.
  • Der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen ermöglicht ein wesentlich geringeres Gewicht im Vergleich zu Metallen und Metalllegierungen bei gleicher Steifigkeit bzw. Festigkeit. Durch den Einsatz von endlosen, orientierten Fasern haben Faserverbundkunststoffe eine wesentlich höhere spezifische Festigkeit und Steifigkeit als kurzfaserverstärkte oder unverstärkte Kunststoffe. Platten aus thermoplastischem Faserverbundkunststoff haben beispielsweise eine Dichte zwischen 1,3 und 1,8 g/cm³ und damit ein ähnliches spezifisches Gewicht wie unverstärkte oder mit Kurzfasern verstärkte Platten. Durch die Verstärkungsfasern werden die mechanischen Eigenschaften jedoch drastisch erhöht und erreichen ein metallähnliches Niveau. Im Vergleich zu unverstärkten Polymerplatten erreichen endlosfaserverstärkte Platten z.B. 5-mal höhere Werte für die Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul.
  • Lagenaufbau und lokale Verstärkungen können an die Ansprüche des jeweiligen Projekts maßgeschneidert angepasst werden kann. Auch Form und Faserrichtung können individuell angepasst und somit flexibel gestaltet werden. 
  • Während Metalle nicht in allen Anwendungsbereichen eingesetzt werden können, sind thermoplastische Verbundwerkstoffe - abhängig vom eingesetzten Polymer - auch in rauen Umgebungen besonders beständig. PPS und PEEK sind hier besonders geeignet. Je nach Einsatzbereich kommen Polymere mit hoher chemischer oder physikalischer Beständigkeit oder geringer Feuchtigkeitsaufnahme zur Anwendung.
  • Thermoplastische Kunststoffe behalten ihre mechanischen Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen bei - thermoplastische Verbundwerkstoffe sind somit auch in anspruchsvolleren Wärmeumgebungen stabil und zuverlässig. Endlosfaserverstärkte Thermoplaste weisen extrem niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) in einem Bereich von etwa 5x10-6 K-1 auf. Diese Eigenschaft ist von großer Bedeutung für Anwendungen, bei denen die Bauteile Temperaturschwankungen über einem weiten Bereich ausgesetzt sind und eine hohe Präzision erforderlich ist. 
  • Im Vergleich zu unverstärkten oder kurzfaserverstärkten Polymeren besitzen endlosfaserverstärkte Materialien eine deutlich höhere Kriechfestigkeit und damit verbunden auch ein verbessertes Ermüdungsverhalten auf. 
  • Thermoplastische Faserverbundkunststoffe weisen durch ihre intrinsische Eigendämpfung hervorragende schwingungsdämpfende Eigenschaften auf. Dies kann insbesondere bei Anwendungen, bei denen Vibrationen gefiltert werden müssen, von Vorteil sein.

Vorteile in der Verarbeitung thermoplastischer Verbundwerkstoffe

  • Hochleistungs-Duromere benötigen oft mehrere Stunden zum Aushärten und erfordern hohen manuellen Aufwand beim Herstellungsprozess. Thermoplastische Verbundwerkstoffe benötigen keine chemische Aushärtung und können so die Prozesszeiten auf wenige Minuten reduzieren. Thermoplastische Verbundwerkstoffe ermöglichen eine automatisierte Fertigung und machen die Produktion von hohen Stückzahlen mit gleichbleibender Qualität möglich. Somit sind auch qualitativ hochwertige Serienfertigungen problemlos möglich.
  • Thermoplastische Faserverbundkunststoffe können bei Raumtemperatur gelagert und transportiert werden. Darüber hinaus sind sie quasi unbegrenzt lagerfähig.
  • Thermoplastische Verbundwerkstoffe erweichen, wenn die Verbundteile auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Sie sind schnell und reproduzierbar umformbar und schweißbar.
  • Duroplastische Verbundwerkstoffe härten durch den eingesetzten Vernetzungsmechanismus dauerhaft aus und können somit nicht wiederverwendet werden. Thermoplastische Verbundwerkstoffe bieten hier Vorteile im Hinblick auf ressourcenschonenden Materialeinsatz: Das Material kann durch Schmelzen und gegebenenfalls Häckseln wiederverwendet werden und bietet somit eine Möglichkeit zum Werkstoffrecycling, sowohl auf Material- als auch auf Bauteilebene.
  • Bei der Verarbeitung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen werden keine VOCs freigesetzt, denn die Materialien sind lösungsmittelfrei.