Glasfaserverstärkter Kunststoff

Glasfaserverstärkter Kunststoff, kurz GFK (engl. GFRP = glass-fibre reinforced plastic), ist ein Faser-Kunststoff-Verbund aus einem Kunststoff und Glasfasern. Als Basis kommen sowohl duroplastische Kunststoffe (z. B. Polyesterharz [UP] oder Epoxidharz) als auch thermoplastische Kunststoffe (z. B. Polyamid) in Frage.

Endlos-Glasfasern wurden erstmals 1935 industriell in den USA als Verstärkungsfasern hergestellt. Die Massenproduktion wurde in den 1930er Jahren von Games Slayter (Owens Corning) und anderen entwickelt – damals diente das Material vor allem der Dämmung von Häusern. Das erste Flugzeug aus GFK war der Fs 24 Phönix der Akaflieg Stuttgart aus dem Jahr 1957.^[1]

GFK ist umgangssprachlich auch als Fiberglas bekannt. Das Wort Fiberglas ist ein Anglizismus, der sich aus fiberglass (AE) bzw. fibreglass (BE), dem englischen Wort für Glasfaser, gebildet hat. In der Nicht-Fachwelt wird oft nur von den Fasern gesprochen, wenn von GFK oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) die Rede ist. Immer sind aber die faserverstärkten Kunststoffe gemeint, denn ohne die gestalt- und oberflächengebende Kunststoff-Matrix wären die Bauteile gar nicht herstellbar.^[2]

Eigenschaften und Anwendungsgebiete

Eigenschaften
Fasertyp: E-Glasfaser Matrixtyp: Epoxidharz Faservolumenanteil 60 % alle Angaben sind charakteristische Durchschnittswerte
Grundelastizitätsgrößen
$E_{\\|}$	44 500 N/mm²
$E_{\perp }$	13 000 N/mm²
$G_{\perp \\|}$	5 600 N/mm²
$G_{\perp \perp }$	5 100 N/mm²
$\nu _{\perp \\|}$	0,25
Dichte
$\rho$	2,0 g/cm³
Grundfestigkeit
$R_{\\|}^{+}$	1 000 N/mm²
$R_{\\|}^{-}$	900 N/mm²
$R_{\perp }^{+}$	50 N/mm²
$R_{\perp }^{-}$	120 N/mm²
$R_{\perp \\|}$	70 N/mm²
Wärmeausdehnungskoeffizienten
$\alpha _{\\|}$	7·10⁻⁶ 1/K
$\alpha _{\perp }$	27·10⁻⁶ 1/K

GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 50× (bez. auf Mittelformatnegativ)

GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 200× (bez. auf Mittelformatnegativ)

GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 500× (bez. auf Mittelformatnegativ)

GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 1000× (bez. auf Mittelformatnegativ)

Glasfaserverstärkte Kunststoffe sind ein kostengünstiger und dennoch sehr hochwertiger Faser-Kunststoff-Verbund. In mechanisch hoch beanspruchten Anwendungen findet sich glasfaserverstärkter Kunststoff ausschließlich als Endlosfaser in Geweben oder in UD-Bändern.

Verglichen mit Faser-Kunststoff-Verbunden aus anderen Verstärkungsfasern hat der glasfaserverstärkte Kunststoff einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul. Selbst in Faserrichtung liegt er unter dem von Aluminium. Bei hohen Steifigkeitsanforderungen ist er daher nicht geeignet. Ein Vorteil der Glasfaser im Verbund mit einer passenden Kunststoffmatrix liegt in der hohen Bruchdehnung und der elastischen Energieaufnahme. Deshalb ist er besonders für Blattfedern und ähnliche Bauteile geeignet.

Glasfaserverstärkter Kunststoff hat auch in aggressiver Umgebung ein ausgezeichnetes Korrosionsverhalten. Dies macht ihn zu einem geeigneten Werkstoff für Behälter im Anlagenbau oder auch für Bootsrümpfe. Da diese Rümpfe auch kein Magnetfeld aufweisen, wurde das Material schon ab 1966 zum Bau von Minensuchbooten verwendet.^[3]

Die über der von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff liegende Dichte wird bei diesen Anwendungen in Kauf genommen.

Mit einer geeigneten Matrix hat glasfaserverstärkter Kunststoff eine gute elektrische Isolationswirkung, was ihn zu einem gut brauchbaren Werkstoff der Elektrotechnik macht. Besonders Isolatoren, die hohe mechanische Lasten übertragen müssen, werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Schaltschränke für den Außenbereich werden wegen der Beständigkeit und Stabilität des Materials häufig aus GFK gefertigt.

Marktlage

2015 wurden in Europa ca. 1.069.000 Tonnen GfK hergestellt. Wichtigster Abnehmer war mit 35 % der Gesamtmenge die Transportindustrie, gefolgt von der Konstruktionsindustrie (u. a. für Rotorblätter von Windkraftanlagen) sowie die Elektronik- und Sportgeräteindustrie mit 30 %.^[4]

Im Jahr 2014 wurden in Europa die folgenden Mengen an glasfaserverstärktem Kunststoff verarbeitet:

Behälter und Rohre, überwiegend im Faserwickel- und Schleuderverfahren: p506145145·10⁶ kg
GMT und LFT (siehe Faser-Matrix-Halbzeuge): p506121121·10⁶ kg
Kontinuierliche Verfahren, wie z. B. die Pultrusion: p506132132·10⁶ kg
RTM-Verfahren: p506132132·10⁶ kg
Pressen von SMC und BMC: p506264264·10⁶ kg
Verfahren mit offener Form, wie z. B. Handlaminieren oder Faserspritzen: p506232232·10⁶ kg
andere Verfahren: p5061717·10⁶ kg

Insgesamt wurden 1.043 kt glasfaserverstärkter Kunststoff in Europa im Jahr 2014 verarbeitet.^[5]

Sorten

Einige typische Sorten glasfaserverstärkter Kunststoffe sind:

	EN 60893-3	NEMA LI 1-1998	MIL
Epoxidharz-Laminat	EP GC 202	FR-4	MIL-I-24768/27 (GEE-F)
Epoxidharz-Laminat	EP GC 204	FR-5	MIL-I-24768/28 (GEB-F)
Epoxidharz-Laminat	EP GC 201	G-10	MIL-I-24768/2 (GEE)
Epoxidharz-Laminat	EP GC 203	G-11	MIL-I-24768/3 (GEB)
Melaminharz-Laminat	MF GC 201	G-5	MIL-I-24768/8 (GMG)
Melaminharz-Laminat	MF GC 201	G-9	MIL-I-24768/1 (GME)
Phenol-Formaldehydharz-Laminat	PF GC 301	G-3	MIL-I-24768/18 (GPG)
Polyesterharz-Laminat	UP GM 201	GPO-1	MIL-I-24768/4 (GPO-N-1)
Polyesterharz-Laminat	UP GM 202	GPO-2	MIL-I-24768/5 (GPO-N-2)
Polyesterharz-Laminat	UP GM 203	GPO-3	MIL-I-24768/6 (GPO-N-3)
Polyesterharz-Laminat		GPO-1P	MIL-I-24768/31 (GPO-N-1P)
Polyesterharz-Laminat		GPO-2P	MIL-I-24768/32 (GPO-N-2P)
Polyesterharz-Laminat		GPO-3P	MIL-I-24768/33 (GPO-N-3P)
PTFE-Laminat			MIL-I-24768/7 (GTE)
Silikonharz-Laminat	SI GC 201	G-7	MIL-I-24768/17 (GSG)

Typische Bauteile

Kurz- und langfaserverstärkte Bauteile

Kurzfaserverstärkte Bauteile finden vor allem Verwendung als Verkleidungen oder werden wegen der guten Formbarkeit und großen Gestaltungsfreiheit hergestellt. Kurzfaserverstärkte Bauteile weisen meist ein quasiisotropes Verhalten auf, da die Kurzfasern zufällig verteilt vorliegen. Eine schwach ausgeprägte Orthotropie kann beim Spritzguss von kurzfaserverstärkten Thermoplasten entstehen. Die Fasern orientieren sich dabei entlang der Fließlinien. Die Beimischung von Kurzglasfasern zu Thermoplasten verbessert deren Steifigkeit, Festigkeit und insbesondere deren Verhalten bei hohen Temperaturen. Das Kriechen kurzfaserverstärkter Thermoplaste ist geringer als das des Grundmaterials.

Endlosfaserverstärkte Bauteile

Endlosfaserverstärkte Bauteile werden mit definierten Materialeigenschaften hergestellt. Immer häufiger finden sie Verwendung im Leichtbau.

GFK aus Geweben oder Gelegen
GFK aus Rovings oder unidirektionalen Geweben/Gelegen (hergestellt im Strangziehverfahren)
Mischformen aus den oben genannten Arten

Dabei werden als Matrix meist Duroplaste verwendet. Zum Beispiel wurde unter dem Begriff Fiberglas ein Verbundwerkstoff aus gewobenen Glasfasermatten und Polyesterharz bekannt.

Anwendungen (Auswahl)

Bewehrung im Betonbau
Blattfedern
Duschwannen und Badewannen
Fahrzeugteile (z. B. Motorhauben, Kotflügel)
Hüllen und Umwandungen
Kleinformteile
Kletterhilfen für die Fassadenbegrünung mit Kletterpflanzen
Profile und Bewehrungen
Rohre
Rotorblätter für Windenergieanlagen
Rümpfe und Tragflächen von Segelflugzeugen oder Hochleistungs-Motorflugzeugen
Rümpfe von Booten und Yachten
Spielplatzrutschen / Rutschbahnen
Taktstöcke
Verkleidungen und Fassaden
Wurfarme für Armbrüste
Angelbauteile
Ausleger für Straßenbahnoberleitungen
Hangar- und Industrietore
Leiterplatten
Kühltürme
Schutzhülle für UHF-Sendeantennen

Probleme bei der Herstellung und Verarbeitung

Bei der Verwendung von Polyesterharzen werden Styroldämpfe freigesetzt. Diese reizen die Schleimhäute und Atemwege. Deshalb schreibt die GefStoffV einen maximalen Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) von 86 mg/m³ vor. In bestimmten Konzentrationen kann sogar ein explosionsfähiges Gemisch entstehen. Bei der Weiterbearbeitung von GFK-Bauteilen (Schleifen, Schneiden, Sägen) entstehen Feinstäube und Späne mit glasigen Filamenten sowie klebrige Stäube in erheblichen Mengen. Diese beeinträchtigen die Gesundheit von Menschen und die Funktionalität der Maschinen und Anlagen. Damit Arbeitsschutzvorschriften eingehalten und die Wirtschaftlichkeit nachhaltig gewährleistet werden kann, ist die Installation von effektiven Absaug- und Filteranlagen nötig.^[6]

Recycling

Recycling-Code für glasfaserverstärkten Kunststoff

Der Recycling-Code für glasfaserverstärkten Kunststoff ist 07.

Siehe auch

Weblinks

Commons: Glasfaserverstärkter Kunststoff – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Literatur

Detlef Jens: Die klassischen Yachten. Band 2: Die Kunststoffrevolution. Koehlers Verlagsgesellschaft, Hamburg, 2007, ISBN 978-3-7822-0945-8.
Volker Türschmann: Ohne Staub und ohne Styroldämpfe. In: Plastverarbeiter Online. Hüthig GmbH, 26. Mai 2011, abgerufen am 11. April 2016.

Einzelnachweise

↑ H. Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Springer, 2005. ISBN 978-3-540-40283-1.
↑ AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. (Hrsg.): Handbuch Faserverbund-Kunststoffe. Vieweg + Teubner, 2010. ISBN 978-3834808813.
↑ Ю.В.Апальков: Корабли ВМФ СССР. Том IV – Десантные и минно-тральные корабли. Sankt Petersburg, 2007, ISBN 978-5-8172-0135-2, S. 111 und folgende
↑ Möglichkeiten zur Wiederverwertung von Rotorblättern von Onshore-Windenergieanlagen. Hintergrundpapier des Bundesverbandes Windenergie. Abgerufen am 4. Februar 2018.
↑ Elmar Witten, Thomas Kraus, Michael Kühnel: Composites-Marktbericht 2015. (PDF; 1,3 MB) In: avk-tv.de. AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe, 21. September 2015, abgerufen am 11. April 2016.
↑ Volker Türschmann, Christian Jakschik, Hans-Jürgen Rothe: Problemlösungen in der GFK-Fertigung – Thema: Reine Luft bei der Fertigung glasfaserverstärkter Kunststoffteile (GFK). In: ult.de. ULT AG, März 2011, archiviert vom Original am 13. August 2012; abgerufen am 11. April 2016.

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[1] H. Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Springer, 2005. ISBN 978-3-540-40283-1.

[2] AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. (Hrsg.): Handbuch Faserverbund-Kunststoffe. Vieweg + Teubner, 2010. ISBN 978-3834808813.

[3] Ю.В.Апальков: Корабли ВМФ СССР. Том IV – Десантные и минно-тральные корабли. Sankt Petersburg, 2007, ISBN 978-5-8172-0135-2, S. 111 und folgende

[4] Möglichkeiten zur Wiederverwertung von Rotorblättern von Onshore-Windenergieanlagen. Hintergrundpapier des Bundesverbandes Windenergie. Abgerufen am 4. Februar 2018.

[5] Elmar Witten, Thomas Kraus, Michael Kühnel: Composites-Marktbericht 2015. (PDF; 1,3 MB) In: avk-tv.de. AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe, 21. September 2015, abgerufen am 11. April 2016.

[6] Volker Türschmann, Christian Jakschik, Hans-Jürgen Rothe: Problemlösungen in der GFK-Fertigung – Thema: Reine Luft bei der Fertigung glasfaserverstärkter Kunststoffteile (GFK). In: ult.de. ULT AG, März 2011, archiviert vom Original am 13. August 2012; abgerufen am 11. April 2016.

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