Langfaserverstärkte Polymere (LFRPs) – Grundlagen und bewährte Verfahren

Dieser Artikel stellt grundlegende Prinzipien und bewährte Verfahren für die Verarbeitung langfaserverstärkter Polymere (LFRPs) vor und gibt praktische Tipps zur Erhaltung der Faserlänge und zur Maximierung der Leistungsfähigkeit in anspruchsvollen Anwendungen.

Überblick über die Faserverstärkung

Die Zugabe von Fasern – Glas- oder Kohlenstofffasern, langen oder kurzen – verbessert die mechanischen und strukturellen Eigenschaften von Thermoplasten. Der Hauptunterschied zwischen kurzen und langen Fasern liegt im Verarbeitungsgrad der Fasern:

Kurze Fasern: Leichter zu verarbeiten, weisen aber ein geringeres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf.
Lange Fasern: Sie erfordern sorgfältige Handhabung, verbessern aber Festigkeit, Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Dimensionsstabilität erheblich.

Faserlänge erhalten, Perfektion nicht erwarten

Die Faserlänge ist entscheidend für die Optimierung der Eigenschaften von Verbundwerkstoffen. Faserbruch verringert Festigkeit und Zähigkeit und kann die Vorteile langer Fasern zunichtemachen. Ursachen für Faserbruch sind unter anderem:

Unsachgemäße Handhabung
Schlecht konstruierte Werkzeuge oder Formen
Nicht optimierte Verarbeitungsanlagen und -bedingungen

Langfasermaterialien werden typischerweise durch Pultrusion hergestellt:

Endlosfaserrovings werden durch eine Imprägnierdüse gezogen.
Das Harz umhüllt die Fasern vollständig und verbindet sich mit ihnen.
Die Fasern werden zu Pellets (~12 mm) mit unidirektionaler Verstärkung zerkleinert.

Links: Kurze Fasern nach dem Entfernen des Harzes | Mitte: Spritzgussteil | Rechts: Langfaserstruktur

Vorteile von langfaserverstärkten Verbundwerkstoffen

Höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
Verbesserte Schlagfestigkeit
Längere Ermüdungslebensdauer
Breitere thermische Stabilität
Überlegene Dimensionsstabilität

Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe können Metalle ersetzen:

70 % leichter als Stahl
40 % leichter als Aluminium

Gängige Basisharze: PA/Nylon, PP, ETPU, PEEK, PPA, PEI

Ballaststoffgehalt: Bis zu 70 % bei Glas, 60 % bei Kohlenstoff (PP, PA, TPU).

Für die Faserverstärkung eignen sich halbkristalline Harze besser als amorphe Harze.

Wichtige Überlegungen zur Verarbeitung von LFRPs

1. Formmaterial & Konstruktion

Standard-Formstähle (P20) sind geeignet; für eine höhere Haltbarkeit verwenden Sie H13- oder A9-Stahl.
Um Faserscherungen zu vermeiden, sollten Sie Tore mit kleinem Durchmesser vermeiden. Weite, fächerförmige oder vollständig runde Tore werden empfohlen.
Scharfe Winkel in den Kanälen vermeiden; größere Lüftungsöffnungen sind zulässig.

2. Formgebungsanlagen

Standard-Spritzgießmaschinen können LFRPs mit geringfügigen Anpassungen verarbeiten.
Empfohlen: Niederdruck-/Allzweckschraube, Düse mindestens 5,6 mm, konische/Nylon-Düsen vermeiden.
Um übermäßige Scherkräfte oder Verweilzeiten zu vermeiden, sollte die Schusskapazität nur zu 60–70 % gefüllt werden.

3. Verarbeitungsbedingungen

Verformung & Kriechen: Lange Fasern reduzieren Verzug und Kriechen im Vergleich zu kurzen Fasern. Optimieren Sie die Angussplatzierung und das Bauteildesign, um Verzerrungen zu minimieren.
Trocknung: Verwenden Sie einen Luftentfeuchter mit einem Taupunkt von –40 °C.
Fütterung: Pneumatische Förderung mit Filtern; scharfe Kurven vermeiden.
Formen: Minimieren Sie die Scherkräfte und den Gegendruck der Schnecke; vermeiden Sie zerkleinertes Mahlgut.
Einspritzgeschwindigkeit und -druck: Bei hohem Faseranteil sind niedrige Geschwindigkeiten (25,4–50,8 mm/s) erforderlich; die Geschwindigkeit sollte innerhalb der vom Lieferanten empfohlenen Bereiche angepasst werden.

Richtlinien für die Teilekonstruktion

Förderung der Faserausrichtung entlang der Strömungsrichtung.
Gleichmäßige Wandstärke: min. 1,524 mm, optimal 3,175 mm, >5,08 mm verringert die Ausrichtung.
Vermeiden Sie lange, flache Abschnitte ohne Rippen.
Schweißnähte strategisch platzieren; Fasern sollten die Schweißnähte verstärken.

Erhaltung der Vorteile langer Fasern

Passen Sie die Standardrichtlinien für die Verarbeitung von Harz/Kurzfasern an. Unsachgemäße Handhabung, fehlerhafte Werkzeugkonstruktion oder falsche Anlageneinstellung können die Vorteile der hohen Festigkeit und Zähigkeit verringern oder zunichtemachen. Die Einhaltung bewährter Verfahren rechtfertigt die höheren Kosten von Langfasermaterialien und gewährleistet deren Leistungsfähigkeit.