Glasfaserverstärkter Kunststoff

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

Endlos-Glasfasern wurden erstmals 1935 industriell in den USA als Verstärkungsfasern hergestellt. 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.

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
ρ	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 50x (bez. auf Mittelformatnegativ)

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

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

GFK-Bruch im REM in stereoskopischer Darstellung, Vergrößerung 1000x (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. 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

Im Jahr 2009 wurden in Europa die folgenden Mengen an glasfaserverstärktem Kunststoff verarbeitet (Änderung gegenüber 2005 in Klammern, Abweichung zu 100 % durch Rundung):

• Verfahren mit offener Form, wie z. B. Handlaminieren oder Faserspritzen: 24 % (−8 %)
• Pressen von SMC und BMC: 27 % (+1 %)
• Kontinuierliche Verfahren, wie z. B. die Pultrusion: 12 % (−1 %)
• Behälter und Rohre, überwiegend im Faserwickel- und Schleuderverfahren: 15 % (+3 %)
• RTM-Verfahren: 12 % (+3 %)
• GMT und LFT (siehe Faser-Matrix-Halbzeuge): 9 % (+1 %)
• andere Verfahren oder Halbzeuge: 2 % (+1 %)

Insgesamt wurden 851000 Tonnen (−23 %) glasfaserverstärkter Kunststoff verarbeitet (Quelle: AVK).

Sorten

Einige typische Sorten glasfaserverstärkter Kunststoffe sind:

	EN 60893-3	NEMA LI 1-1998	MIL
Phenol-Formaldehydharz-Laminat	PF GC 301	G-3	MIL-I-24768/18 (GPG)
Silikonharz-Laminat	SI GC 201	G-7	MIL-I-24768/17 (GSG)
Melaminharz-Laminat	MF GC 201	G-5	MIL-I-24768/8 (GMG)
Melaminharz-Laminat	MF GC 201	G-9	MIL-I-24768/1 (GME)
Epoxidharz-Laminat	EP GC 201	G-10	MIL-I-24768/2 (GEE)
Epoxidharz-Laminat	EP GC 202	FR-4	MIL-I-24768/27 (GEE-F)
Epoxidharz-Laminat	EP GC 203	G-11	MIL-I-24768/3 (GEB)
Epoxidharz-Laminat	EP GC 204	FR-5	MIL-I-24768/28 (GEB-F)
Epoxidharz-Laminat		CEM-1	MIL-I-24768/29 (CEM-1)
Epoxidharz-Laminat		CEM-3	MIL-I-24768/30 (CEM-3)
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)

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

Anwendungen (Auswahl)

• Hüllen und Umwandungen
• Verkleidungen und Fassaden
• Profile und Bewehrungen
• Rohre
• Kleinformteile
• Blattfedern
• Rotorblätter für Windenergieanlagen
• Rümpfe von Booten und Yachten
• Herstellung von Motorsporteilen (z. B. Motorhauben, Kotflügel)

Probleme bei der Herstellung und Verarbeitung

Anfallender Staub bei der Bearbeitung eines GFK-Bauteils

Nachweis der laminaren Luftströmung zur Absaugung der Styroldämpfe in einer Fertigungshalle für GFK-Yachten

In der Aushärtungsphase der Harze 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.^[2]

Literatur

• Detlef Jens: Die klassischen Yachten. Bd. 2: Die Kunststoffrevolution. Koehlers Verlagsgesellschaft, Hamburg, 2007, ISBN 978-3-7822-0945-8.
• Fachzeitschrift PLASTVERARBEITER, Ausgabe Mai 2011, Artikel Ohne Staub und ohne Styroldämpfe, Verlag Hüthig GmbH, Heidelberg

Recycling

Recycling-Code für Glasfaserverstärkter Kunststoff

Der Recycling-Code für Glasfaserverstärkter Kunststoff ist 07.

Siehe auch

• Faserverbundwerkstoff
• Faser-Kunststoff-Verbund
• Bulk Molding Compound
• Sheet Molding Compound

Weblinks

 Commons: Glass-reinforced plastic – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
• AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V.
• Informationen über die Herstellung von GFK-Profilen
• Chemisch-physikalische Materialbeschreibung von GFK / Fiberglas
• Problemlösungen in der GFK-Fertigung

Einzelnachweise

1. ↑ H. Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Springer, 2005.
2. ↑ Türschmann/Jakschik/Rother: White Paper zum Thema "Reine Luft bei der Fertigung glasfaserverstärkter Kunststoffteile (GFK)", März 2011