Für den Leichtbau spielen carbon- (CFK) und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) eine wichtige Rolle. Es sind hochentwickelte Leichtbau-Werkstoffe, die über eine hohe Stabilität, Langlebigkeit und Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen verfügen. Doch wie können sich die Entwickler darauf verlassen, dass die Materialien ihren Vorstellungen und Anforderungen entsprechen? Denn ein Prüfsiegel als Qualitätsnachweis für die Werkstoffe gibt es bisher noch nicht – eine klare Aufgabe für die Hersteller faserverstärkter Kunststoffe, die die Qualität ihrer Materialien an den hohen Ansprüchen der Automobilindustrie ausrichten sollten: Mit prüftechnischen Standards gilt es, alle Produkteigenschaften abzusichern.

Für Stefan Bachstein, Technologieleiter bei Lamilux, Rehau, bedeutet das: „Alle Phasen der Produktion und Entwicklung faserverstärkter Kunststoffe müssen von einer intensiven Qualitätssicherung begleitet werden.“ Das Unternehmen hat kürzlich als weltweit erster FVK-Hersteller einen Großteil seiner Labor- und Prüfeinrichtungen freiwillig vom TÜV Süd zertifizieren lassen. Insgesamt wurden knapp 20 Labor- und Prüfeinrichtungen erfolgreich begutachtet und überprüft.

Im Fokus der zahlreichen Prüfungen, des Herstellers, stehen vor allem die mechanischen, physikalischen und optischen Qualitäten. Weitere Tests beziehen sich auf die Stabilität, die Langlebigkeit und die UV- und Witterungsbeständigkeit der Materialien.

Frontale Krafteinwirkung: Der Impact-Test

FVK müssen häufig über eine hohe Widerstandskraft gegenüber starken, frontalen Krafteinwirkungen verfügen. Der Impact-Test gilt als besonders aussagekräftige Prüfmethode, da er real die Belastungen auf die Werkstoffe – beispielsweise durch Schläge auf LKW-Seitenwände oder Hagelschlag auf Caravan-Dächer – abbildet. Er liefert wichtige Informationen über die Robustheit des Materials und seine Langlebigkeit in der täglichen Anwendung. Brüche und Dellen bei starker Krafteinwirkung sind unerwünscht. Die Impact-Eigenschaften werden durch den Kugelfalltest geprüft. Eine halbrunde Kugel aus Stahl mit einem Durchmesser von 20 mm fällt dabei frontal auf die Materialoberfläche. Je nach gewünschter Testbelastung kann die Fallhöhe bis auf 1 m und das Gewicht der Kugel bis auf 2 kg steigen.

Für den Konstrukteur sind Daten zur Robustheit und Langlebigkeit des Werkstoffs nicht nur bezogen auf den Werkstoff selbst, sondern vor allem auch im Vergleich zu anderen Materialien wichtig.

Gute Informationen hierzu liefern Zugversuch und Biegeversuche sowie der Schlagzähigkeitstest nach Charpy. Er wird gemäß DIN EN ISO 179, DIN 53435 und DIN EN ISO 180 durchgeführt. Durch die Schlagbiegeprüfung werden die Materialeigenschaften mit Blick auf die Widerstandskraft gegenüber starken Krafteinwirkungen untersucht. Die Messergebnisse ermöglichen einen direkten Vergleich mit anderen Werkstoffarten und helfen, Brüche und Dellen zu vermeiden.

Beim Charpy-Test prallt ein Pendelhammer auf das eingespannte Material. Dadurch wird eine schlagartige Beanspruchung bis hin zu dessen Zerstörung erzeugt. Einerseits gehen aus diesem Versuch die Schlagzähigkeit und das Sprödbruchverhalten des Werkstoffs hervor. Andererseits werden die absorbierte Energie und das Energieaufnahmevermögen erfasst.

Robustheit der Materialien im Vergleich

Biege- und Zugfestigkeitsprüfungen analysieren vor allem die Robustheit und Langlebigkeit faserverstärkter Kunststoffe. Die Prüfdaten geben Auskunft darüber, ab welcher Belastung das Material versagt, und lassen einen direkten Vergleich mit anderen Materialien wie Aluminium oder Stahl zu. Beim Zugversuch wird ein Probekörper eingespannt und eine einachsige Zugspannung erzeugt. An der aufgezeichneten Spannungs-Dehnungskurve lassen sich die Zugfestigkeit, das Elastizitätsmodul, die Bruchdehnung und die Querdehnungszahl ablesen. Beim 3-Punkt-Biegeversuch wird das Material gebogen und einer starken Zug- und Druckbeanspruchung an den Randfasern ausgesetzt. Auch hier wird eine Spannungs-Dehnungskurve erzeugt und so die Biegefestigkeit, das Elastizitätsmodul und die Bruchdehnung ermittelt.

Doch nicht nur der Vergleich mit anderen Materialien ist wichtig. Vielmehr gilt es bei der Entwicklung neuer Leichtbau-Materialen, die anforderungsspezifischen Vorgaben einzuhalten und die Stabilitätswerte genau zu dokumentieren. Dazu werden Zugversuche nach DIN EN ISO 527 und der 3-Punkt-Biegeversuch nach DIN EN ISO 142125, EN 2562 und EN 2746 durchgeführt.

Die Fertigung gleichbleibender Werkstoffqualitäten zählt zu den großen Vorteilen der kontinuierlichen Flachbahnproduktion. Hohe Priorität hat daher die wiederkehrende Kontrolle der Härte der Materialoberfläche. Kontrolliert wird dabei die optimale Aushärtung des Materials, denn eine ausgewogene Materialhärte sorgt für kratz- und rissunempfindliche Oberflächen. Die Barcol-Härteprüfung nach DIN EN ISO 59 ist ein Schnellverfahren zur Produktionsüberwachung. Gemessen wird, wie tief eine mit einer Prüflast belastete Spitze in die Materialoberfläche eindringt.

Eine der wichtigsten Prüfungen, um die Stabilität der FVK bei verschiedenen Wärmezuständen zu kontrollieren, ist die Dynamisch Mechanische Analyse (DMA). Überprüft wird dabei das mechanische und viskoelastische Verhalten in Abhängigkeit von der Temperatur. Die DMA sichert die Wärmestabilität der Materialien ab und untersucht den Aushärtungsgrad. Denn bei den meisten Anwendungen beispielsweise in den Dächern und Wänden von Caravans, Wohnmobilen, Fahrzeugaufbauten und Trailern ist eine hohe mechanische Belastbarkeit bei jeder Temperatur gefordert.

Stabilität bei jeder Temperatur

Um Erkenntnisse über die Festigkeit und Steifigkeit bei verschiedenen Temperaturen zu erhalten, wird das Material über eine Temperaturrampe geschickt. Prüf- und Messgerät ist das Rheometer, mit dem das Materialverhalten innerhalb eines Temperaturverlaufs von 0 bis 120 °C untersucht wird. Als gemessener Wert ergibt sich der DMA-Modul.

Der Wetter-Härtetest: Wärme, Kälte, Sonne, Regen, Frost
CFK und GFK ersetzen häufig metallische Bauteile, die Wind und Wetter ausgesetzt sind. Weder klimatische Veränderungen noch Sonnenlicht dürfen zu Veränderungen der Oberfläche oder zu Materialermüdung führen. Die Beständigkeit der FVK gehört daher zu den wichtigsten Qualitätskriterien. Permanente Optimierungen der Harzrezepturen führen heute zu sehr guten Ergebnissen. Durch die Bewitterungs- und Lichtechtheitsprüfungen unter konstanten und jederzeit reproduzierbaren Bedingungen werden aber nicht nur die Langlebigkeit und die Farbstabilität untersucht. Auch der schöne optische Eindruck das Materials soll möglichst lange erhalten bleiben.

Die Prüfmethoden richten sich nach den Standards der Automobil-industrie. Mit dem Xeno-Test nach DIN EN ISO 4892-2 wird die Witterungsbeständigkeit untersucht. Hierfür werden Materialproben in einer Simulationsumgebung mehr als 1.000 h einer Schnellbewitterung ausgesetzt. Der Sun-Test analysiert die dauerhafte Licht- und Farbechtheit des Materials. Nachdem Materialproben 250, 500 und 1.000 h mit UV-Licht bestrahlt wurden, werden sie aus dem Prüfgerät entnommen und die Farbabweichungen und Materialveränderungen gemessen.

Tests unter realen Bedingungen der Anwendung sind Freibewitterung und die Wärme-/Kältelagerung. Diese Prüfungen untersuchen das Langzeitverhalten von FVK bei wechselnden klimatischen Bedingungen. Die Tests liefern wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich die Materialien mittel- und langfristig unter den Klimabedingungen aller Jahreszeiten verhalten.

Bei der Freibewitterung in Arizona – eine Region mit der höchsten solaren Energiedichte weltweit – und Mitteleuropa werden Materialproben in einen Bewitterungsstand eingespannt. In regelmäßigen Abständen wird mit einem Spectralphotometer das Muster farbmetrisch gemessen sowie mit einem weiteren Prüfgerät der Glanzgrad der Oberfläche erfasst.

Bei der Wärme-/Kältelagerung wird das Materialverhalten bei Temperaturbelastungen und Temperaturänderungen im Bereich von -40 °C bis +80°C untersucht. In einem Klimaschrank werden über lange Dauer Prüfkörper Zyklen wechselnder Temperatur ausgesetzt.

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Über den Autor

Michael Ertel ist zuständig für die Öffentlichkeitsarbeit bei Lamilux, Rehau. Michael.Ertel@lamilux.de