GFK+CFK basics (by rbt)

Wenn man komplexe und zugleich stabile Formen herstellen will, ist der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen häufig der einfachste Weg. Als Alternative bietet sich für den Bastler noch das Tiefziehen von Thermoplasten an, dafür muss jedoch erst entsprechendes Equipment gebaut werden. Im Vergleich dazu ist der Aufwand, den man für GFK betreiben muss verschwindend gering. In meinen Augen also das ideale Material für Einzelstücke oder Kleinserien…

zum Formbaututorial geht es hier entlang …

Inhalt:

• Kunststoffe
• Kunstharze
• Harzsysteme
• Gewebe
• Formen
• Trennmittel
• Laminieren
• Entformen
• Zuschneiden

Kunststoffe:

Eine Gemeinsamkeit aller Kunststoffe ist ihr Aufbau aus langen Molekülketten, den Polymeren, die normalerweise aus einem Erdöldestilat gewonnen werden. Man unterscheidet grundsätzlich 3 Arten von Kunststoffen: Elastomere, Thermoplaste und Duroplaste. In die Kategorie Elastomere fallen eigentlich alle Kautschukverbindungen. Thermoplastisch sind fast alle Kunststoffe die uns im täglichen Leben begegnen. PVC, Polystyrol, Polycarbonat, Plexiglas ( PMMA) usw. sind Teil dieser Gruppe. Ihre besondere Eigenschaft ist, wie der Name schon nahelegt, ihre Verformbarkeit bei bestimmten Temperaturen. Dies macht sie besonders für die industrielle Produktion interessant. Die letzte Gruppe, die Duroplaste bilden den Kern dieses Tutorials. Im Gegensatz zu den Thermoplasten lassen sich Duroplaste, wie z.B. Epoxydharz, nach dem Aushärten nicht mehr mit Hitze verformen sondern nur noch mechanisch bearbeiten.

Kunstharze:

Basis für die meisten Faserverstärkten Kunststoffe sind Kunstharze. Diese werden überwiegend auf Erdölbasis hergestellt, es gibt jedoch auch inzwischen Produkte auf Basis von Naturharzen. Letztere werde ich aus diesem Tut jedoch ausklammern, da ich damit noch keine Erfahrungen sammeln konnte. Epoxy- und UP-Harze sind auch noch deutlich billiger als das Naturprodukt. Damit wären wir auch schon bei den beiden Harzfamilien die wohl am häufigsten eingesetzt werden. Epoxydharz (EP) gibt es schon deutlich länger und wird auch häufig als Synonym für 2k-Harze im allgemeinen verwendet. In der Regel wird man ein vorbeschleunigtes 2-Komponenten-EP- oder UP-System verwenden. In das Harz wird unmittelbar vor der Verarbeitung ein Härter gegeben, sobald beide Komponenten vermischt sind (homogenisiert), lässt sich die exotherme Reaktion nicht mehr stoppen und das Harz muss in einer bestimmten (Topf-) Zeit verarbeitet werden. Diese wird normalerweise für 100g Harz angegeben, größere Mengen wirken beschleunigend! Auch kann die Hitzeentwicklung bei großen Mengen Plastikschüsseln zum Schmelzen bringen, hier ist auf jeden Fall Vorsicht geboten. Die Umgebungstemperatur ist ebenfalls wichtig, da viele Harzsysteme erst ab einer bestimmten Mindesttemperatur reagieren. Über Additive können Eigenschaften wie Viskosität, Wärmeleitfähigkeit oder das Brandverhalten beeinflusst werden. Gerade das Einstellen der Viskosität über sogenannte Thixothropiermittel, wie Baumwollflocken oder Glaskügelchen, ist sehr hilfreich wenn Harz als Kleber eingesetzt werden soll. In der Verarbeitung sind sowohl EP- als auch UP- ( ungesättigte Polyester-) Harze recht ähnlich, UP ist jedoch deutlich toleranter was die Härtermenge angeht. Muss bei EP idr. peinlich genau darauf geachtet werden, dass das Mischungsverhältnis eingehalten wird ( häufig 60:40 oder 50:50), darf die Härtermenge bei UP z.B. zwischen 0,5 und 3% variiert werden. Sollten die Verhältnisse nicht eingehalten werden, verbinden sich an einigen Stellen Harz und Härter nicht und die Festigkeit des Werkstückes leidet. Es gibt jedoch noch weitere Unterschiede, die je nach Anwendungszweck sehr wichtig sein können. Um die Übersichtlichkeit zu wahren gibts das Ganze im Anschluss in Tabellenform. EP ist nach dem Aushärten ungiftig, bzw. sondert keine giftigen Stoffe mehr ab. Dies ist besonders wichtig wenn Menschen oder Tiere regelmäßig Kontakt mit den Werkstücken haben. In flüssigem Zustand ist es jedoch ein übles Allergen und sollte niemals mit der Haut in Kontakt geraten! Beide Harze schrumpfen während des Aushärteprozesses, Ep jedoch in deutlich geringerem Umfang. Bei Werkstücken mit geringen Toleranzen ist das nicht unwichtig, auch wird EP im allgemeinen eine größere Festigkeit nachgesagt. Die Seewasserbeständigkeit und Klebefähigkeit auf Holz sind besonders für den Yachtbau interessant. Die häufig aus Polyesterharz gefertigten Bootsrümpfe lassen sich bei Beschädigungen der Deckschicht mit EP reparieren. Wenn man EP im Outdoorbereich einsetzen will muss man sich auf jeden Fall Gedanken über den Schutz vor UV-Strahlung machen, dafür gibt es verschiedene Deckschichten oder Lacke. Der offensichtlichste Unterschied zwischen EP und UP liegt in der Geruchsbelastung, UP stinkt schon sehr heftig. Verantwortlich dafür ist wohl der hohe Styrolanteil. Styrol ist schwerer als Luft weshalb bei großen Teilen, aus denen es nicht abfließen kann, auf eine gute Belüftung geachtet werden muss! Ohne Luftabschluss Härtet Up auch nicht vollständig aus, was sich an einer leicht klebrigen Oberfläche bemerkbar macht. Im industriellen Einsatz wird daher die laminierte Fläche mit einem sogenannten Topcoat behandelt, das wie ein Schutzfilm wirkt. Für den Yachtbau gibt es seewasserbeständige Gelcoats, ist diese Schicht jedoch beschädigt kann es zu Osmoseschäden kommen.

EP:

• + nach Verarbeitung ungiftig
• + deutlich weniger Schrumpf
• + verbindet sich gut mit Holz
• + größere Festigkeit
• + Seewasserbeständigkeit
• – nicht UV-beständig
• – teurer als UP
• – nicht so flexibel was Härtermenge angeht

UP:

• + Günstiger
• + UV-beständig
• + solange man sich nicht um 10er Potenz beim Härter verhauen hat, wird auch alles hart
• – Nicht seewasserbeständig
• – sondert Styrol ab
• – härtet ohne Luftabschluss nicht vollständig aus
• – Geruch

Harzsysteme:

Wenn man faserverstärkte Werkstücke im Handlaminierverfahren herstellen will, sollte man sich der einfachheit halber um ein vorbeschleunigtes Harz, speziell für diese Verarbeitungsweise entscheiden. Die Topfzeit wurde dann vom Hersteller schon so angepasst das eine Verarbeitung innerhalb von 5-15 Minuten möglich ist. Für Fortgeschrittene gibt es dann noch die Option die Aushärtekurve zu beeinflussen. Dafür kann man entweder das Harz komplett selbst aufbauen, indem man Harz , Beschleuniger und evtl. Verzögerer vermischt oder in dem man letztere einem fertigen System beimengt. Entsprechendes Fachwissen sollte dann jedoch schon vorhanden sein, um aus den Datenblättern der Komponenten die richtigen Schlüsse ziehen zu können. Beschleuniger/Verzögerer machen oft nur Zehntelprozente des Gemisches aus, man benötigt also entweder gutes Equipment oder muss große Mengen herstellen. Häufig wird man nicht nur einfaches Laminierharz verwenden, ein Gelcoat erleichtert einem die Arbeit ungemein. Die Blasenbildung ist reduziert, es ist zäher als das Laminierharz und haftet daher auch ohne Gewebe an der Form und schlussendlich erleichtert es einem auch das Entformen. Beim Laminieren von Sichtcarbon in Negativformen ist es sogar nahezu unerlässlich, da vor dem Laminieren eine dünne Schicht Harz ( besser Gelcoat ) zwischen Form und Gewebe sein muss. Ähnliches gilt wenn man die spätere Oberfläche vor Salzwasser, Lösungsmitteln oder UV-Licht schützen will. FürAbgüsse eignen sich die meisten Laminierharze nicht. Das größte Problem ist, dass schon Materialstärken von 20-30mm zu extremer Hitzeentwicklung mit starker Rissbildung inklusive Brandgefahr führen. Man sollte für diesen Zweck auf spezielle Gießharze zurückgreifen. Das Problem mit zu großen Materialstärken pro Arbeitsgang gilt natürlich auch für das Handlaminat, 5-10mm sollten in einem mal möglich sein. Solche Stärken werden jedoch nur für sehr große oder extrem belastbare Bauteile benötigt.

Gewebe

Ohne ein stützendes Gewebe begeistern EP oder UP nicht unbedingt durch besondere Bruchfestigkeit, wenn jedoch Verstärkungsfaser mit einlaminiert wurden erhöht sich die Festigkeit enorm. Glasfasern (GFK) sind zwar das gebräuchlichste Material, es werden jedoch noch andere Gewebe angeboten. Die bekannteste Alternative ist wahrscheinlich Kohlefaser (CFK), das jedoch um einiges teurer ist als Glas. CFK ist im Vergleich zu GFK deutlich fester bei gleichem Gewicht. Es wird jedoch häufig nur aus ästhetischen Gründen einsetzt, da es über eine sehr lebhafte Oberfläche verfügt (Sichtcarbon). Das in Laminierverfahren hergestellte „Carbon“ darf diesen Namen eigentlich garnicht tragen, da er dem gebackenen, ausschlieslich auf Kohlestoffbasis hergestellten Carbon vorbehalten ist. Neben diesen beiden, relativ gebräuchlichen Fasern, gibt es noch Kevlar und Aramidfasern. Beide verfügen über eine noch höhere Festigkeit als CFK, sind jedoch auch sündhaft teuer ( ~ 150€ /m²) . Ein sinnvoller Einsatz im Privatbereich will mir jetzt beim besten Willen nicht einfallen. Wie bei den Harzen gibt es seit einigen Jahren den Trend zu Naturprodukten und man hat inzwischen die Auswahl zwischen Flachs- , Hanf- oder Sisalgeweben. Erfahrungswerte kann ich auf diesem Gebiet nicht beisteuern, sie erfreuen sich jedoch einer zunehmenden Beliebtheit in der Automobilindustrie. Im Gegensatz zu CF oder GF Brechen die Naturfasern im Crashfall nicht so scharfkantig und können deshalb auch im Innenraum eingesetzt werden. CF oder GF sollten nie in größeren Flächen im Fahrzeuginneren verwendet werden. Die Harze platzen mit feinen Splittern ab und gefährden die Augen, die Faserstücke entwickeln sich zu extrem scharfen Klingen und bedrohen den Rest. Grundsätzlich werden Gewebe nach g/m² gehandelt, wobei dünne Gewebe nicht unbedingt billiger sein müssen als dickere. Bei Glasfasern unterscheidet man zwischen Geweben, Gelegen und Wirrfasermatten. Bei letzterem handelt es sich um die einfachste Form von Verstärkungsfasern. Kurze Glasfasern werden zu einem Vlies mit gleichmässiger Dicke geformt, die einzelnen Fasern sind dabei mit einem Bindemittel verklebt. Wenn das Vlies mit Harz in Verbindung kommt lösen sich die einzelnen Fasern voneinander, man kann die Matte dann nicht mehr als ganzes von der Form nehmen. Die Fasern selbst können sich dann relativ frei bewegen und man kann mit diesem Material auch sehr gut kompliziertere Geometrien abformen. Für die meisten Anwendungsgebiete reichen Gelege, wenn jedoch eine höhere Steifigkeit erwünscht ist kann man auch auf Glasgewebe zurückgreifen, man erkauft sich diese Stabilität jedoch durch geringere Flexibilität beim Laminieren. Manche Formen lassen sich vlt garnicht oder nur sehr schwer realisieren und die Gefahr von Lufteinschlüssen steigt. Sinnvoller ist es erstmal Erfahrungen mit Wirrfasermatten zu sammeln bevor man sich an Gewebe oder Gelege wagt. Gewebe ist auch nicht gleich Gewebe, man differenziert zwischen den Webarten bzw. der Bindung. Die gebräuchlichsten sind dabei Leinwand und Köperbindung, Leinwand läuft auch z.T. unter der Bezeichnung „unidirektionales Gewebe“.

Köper

Leinwand

Die Köperbindung ist in der Verarbeitung etwas robuster und eignet sich daher eher für kompliziertere Formen, man kann auch mal beherzt am Gewebe ziehen um es in Form zu bringen. Bei der Leinwand sind die Fasern untereinander nicht so stark verschränkt, sie lösen sich sehr schnell aus den Kettfäden und verrutschen leicht. Grade bei Teilen in Sichtcarbon kann das sehr schnell sehr hässlich werden, da eine Korrektur fast unmöglich ist. In Faserrichtung ist dieses Gewebe jedoch sehr stabil und durch variieren der Faserrichtung lassen sich auch Bauteile fertigen die nicht nur in eine Richtung stabil sind. Auf den Beispielfotos sind natürlich CF Gewebe zu sehen, aber die unterscheiden sich nur in der Farbe von den GF-Geschwistern. Wirrfasermatten aus Cf sind mir bisher noch nicht begegnet, bei ihnen scheint es sich auch um relative Exoten zu handeln. Wer jeden Euro zweimal umdrehen muss, auf Cf-Optik jedoch nicht verzichten will, sollte mal einen Blick auf Imitate aus Kunststoff werfen. Meiner Meinung nach sieht man den Unterschied recht deutlich, aber das soll jeder mit sich selbst ausmachen. Auf dem Gebiet der Effektgewebe gibt es noch weitere interessante Gewebe, z.B. aluminiumbedampfte GF usw.

Formen

Wie man Formen baut werde ich an dieser Stelle nicht weiter erläutern. Formbau ist ein Kapitel für sich und wird in einem eigenen How to behandelt werden. Wir nehmen die Existenz von Formen einfach mal als gottgegeben hin 😉

Trennmittel

Wenn man nicht oder nicht ausreichend getrennt hat endet der Laminierversuch in einem Debakel. Die teure oder arbeitsintensive Form wird dann beschädigt oder zerstört. Damit sich Form und Werkstück wieder voneinander lösen gibts es zahlreiche Produkte, vom Haushaltsmittelchen bis hin zu 3 Komponentensystemen. Unter Haushaltsmittel würde ich z.B. Wachs, Maschinenfett oder Vaseline verbuchen. Mit Wachs oder Vaseline habe ich noch nicht gearbeitet aber Maschinenfett hat sich bei mir schon bewährt, einfach dünn auf die Form mit einem Stück Küchenpapier oder einem alten Lappen auftragen – fertig. Auch grobporige Oberflächen werden so zuverlässig getrennt. Bei Formen aus PU-Schaum ist das mehrfache Umwickeln mit Frischhaltefolie eine gängige Methode. Für einfache Formen oder Oberflächen sind diese Mittel mit Sicherheit ausreichend, nutzt man jedoch qualitativ hochwertige Formen sollte man schon auf professionelle Produkte zurückgreifen. Ein sehr universelles Trennmittel ist Trennwachs, man kann damit sowohl leicht rauhe als auch Hochglanzflächen trennen. Aufgetragen wird es mit einem Lappen und kann nach kurzer Trockenphase abpoliert werden. Es empfiehlt sich neue Formen mindestens 3-5 mal mit Wachs zu trennen bevor man sie einsetzt. Wenn sich einmal eine stabile Wachsschicht gebildet hat kann man 2-3 Abzüge machen bevor man neues Wachs auftragen muss, nach jedem Abzug muss die Oberfläche jedoch einmal aufpoliert werden. Wer es etwas aufwendiger mag kann auch auf Trennsysteme zurückgreifen; reinigen, versiegeln, trennen, alles mit einem speziellen Mittelchen, da bleib ich lieber bei Wachs.

Laminieren:

Bevor wir hier zum Handwerklichen kommen, ein paar Punkte zum Arbeitsschutz. Die meisten der hier verwendeten Materialien sind mehr oder weniger giftig, krebserregend oder beides zusammen, daher gilt Grundsätzlich: So wenig direkten Kontakt wie möglich!

Zur Grundausstattung sollten auf jedenfall spezielle, dicke Gummihandschuhe gehören ( aus Nitril/Butyl) und eine Schutzbrille, dünne Latexhandschuhe bieten keinen ausreichenden Schutz. Die Brille schützt die Augen besonders in Situationen in denn mit Härter hantiert wird, dieser ist ätzend und muss, falls doch etwas daneben geht SOFORT mit Wasser ausgewaschen werden ( wenn was ins Auge geht, macht man das freiwillig sofort…). Eine gute Belüftung ist ebenfalls Pflicht, auch wenn der Geruch von EP vlt. sogar als angenehm empfunden wird, gesund ist das nicht!

Aber genug der warnenden Worte, Zeit für Handlaminat! Die wichtigsten Werkzeuge sind Borstenpinsel, Teflonrolle, Lammfellrolle (für große Flächen), Spritze ( für Härter) und ein Mischpöttchen.

von l. n. r.: Harz, Härter, Pinsel, Teflonrolle

Schritt 1 , Feinschicht (FS) oder Gelcoat streichen, ist an dieser Stelle ebenfalls schon erledigt. Die grüne Masse auf den schwarzen Positiven ist dieses zähflüssige Gelcoat, welches nur mit dem Pinsel aufgetragen werden kann. Die Feinschicht sollte dünn und gleichmässig aufgetragen werden um Schrumpfungen zu vermeiden.

Nachdem die FS ausgehärtet ist (~24h) kann auch schon die 1. Lage Gewebe gelegt werden, in diesem Fall Glasmatte mit 450g/m². 450er ist ein absolutes Standardgewebe und entsprechend billig und leicht zu beschaffen, für feine Details benutzt man jedoch besser 150er. Als Faustregel kann man von einem Millimeter Materialstärke pro Lage 450er Gewebe ausgehen. Die Harzmenge lässt sich auch grob kalkulieren: 2,5x das Gewicht der Matte und man hat einen guten Anhaltspunkt für die benötigte Menge. ( Man geht dabei immer von der Menge Harz+Härter aus!). Beim zuschneiden der Matte ruhig immer etwas mehr als nötig anzeichnen, abschneiden kann man nach dem Laminieren immer noch.

Die erste Lage wird auch nach Möglichkeit mit klarem Harz laminiert, damit man evetuelle Luftblasen erkennen und herausdrücken kann. Dafür benutzt man entweder einen Pinsel oder wo immer es möglich ist, die Teflonrolle. Sollten Blasen unter dem Gewebe verbleiben, kann die Feinschicht an dieser Stelle sehr schnell beschädigt werden. Bevor man die Matte auf die Form legt, wird letztere einmal dünn mit Harz eingestrichen, ein Verrutschen wird so verhindert und die Blasenbildung reduziert. Glasfasergewebe werden durchsichtig wenn sie mit Harz in Kontakt kommen, sollten doch noch weiße Fasern zu sehen sein, kann man an der Stelle vorsichtig mit einem Pinsel tupfen bis sie auch mit Harz durchtränkt sind.

Mit eingefärbtem Harz werden dann die restlichen Schichten Aufgebaut, jetzt können auch 2-3 Lagen in einem Durchgang laminiert werden.

bei gefärbtem Harz is nix mit Blasensuchen!

Bei Köper oder Leinwand muss darauf geachtet werden, das die Form deutlich stärker mit Harz getränkt ist als bei Gelege. Die dichten, gewebten Matten lassen das Harz nicht so einfach passieren wie das lose Vlies, die Folgen können Blasenbildung bzw. mangelnde Bindung der Feinschicht an das Gewebe sein. Bei Sichtcarbon ist diese Regel noch wichtiger. Zum Thema Carbonlaminierung wird es jedoch auch ein eigenes Tut geben. Als Tempern beschreibt man das Erhitzen des Bauteils noch in der Form auf 40-60°C für 8-12h, um Spannungen im Material abzubauen und die Festigkeit zu erhöhen.

Viel mehr kann ich an dieser Stelle zum Laminieren auch nicht schreiben, wie bei den meisten manuellen Tätigkeiten muss man selbst ein Gefühl für das Material bekommen, seine eigenen Erfahrungen machen. Ein Tut kann dabei nur eine Hilfe sein.

Entformen:

Laminieren ist eigentlich nur die Hälfte des Fertigungsprozesses. Wenn das Bauteil ausgehärtet ist muss es ja noch irgendwie raus aus der Form. Bei so einfachen Formen, wie den oben gezeigten, ist das ganz einfach: Etwas sanfter Druck und leichtes Verschieben und schon springt es einem entgegen. So leicht ist es leider nur in den seltensten Fällen, durch Schrumpfungsprozesse hält das Teil meistens bombenfest in der Form.

In diesem, besonders hartnäckigen Fall, musste die Form sogar zerstört werden. Bei professionellen Formen für Serien sind immer Entformungskanten vorhanden, an denen man das Werkstück mit Holzkeilen hochhebeln kann ohne Form oder Bauteil zu beschädigen. Leichte Hammerschläge auf die laminierte Seite oder Druckluft können ebenfalls hilfreich sein.

Zuschneiden:

Nach dem Entformen sind die Bauteile noch sehr unförmig, überall hängen Harzreste oder überschüssiges Gewebe. Am einfachsten bringt man die Teile mit Winkelschleifer oder Dremel in Form. Schleif- und Trennscheiben machen mit Glas- oder Kohlefaser kurzen Prozess. An dieser Stelle rächt sich dann auch wenn man das Gewebe nicht ordentlich durchtränkt hat. Im Idealfall kann man am Bauteil herumschneiden ohne das sich im inneren Fasern lösen.

Zu der üblichen Schutzkleidung wie Brille und Arbeitshandschuh kommen noch ein paar hübsche Accesoires. Eine Staubschutzmaske ist ein absolutes Musthave, der beim Schleifen und Schneiden entstehende Staub ist quasi Instantlungenkrebs. Den Rest des Körpers nach Möglichkeit mit einem langärmeligen Kittel o.ä. schützen und den dann auch nur zu solchen Anlässen aus der Plastiktüte holen. Wenn der Staub auf die Haut gelangt, löst er einen fiesen Juckreiz aus, wer schonmal mit Glaswolle gearbeitet hat, sollte wissen wovon ich rede. Nach der Arbeit den Raum sofort reinigen, da der extrem feine Staub sonst überall verteilt wird.

Hoffentlich konnte ich mit diesem Tutorial einigen Unentschlossenen oder Unerfahrenen einen Zugang zu diesen interessanten Materialien verschaffen. Sollten einige Fragen noch unbeantwortet sein könnt ihr sie gerne im Anschluss loswerden.

Das Gleiche gilt für Lob oder Kritik, einfach ne kleine Anmerkung in den Comments hinterlassen.

Projekte mit Faserverbund:

Board – Pintail

Board – Wedge

Board – NXP3 mini

Board – NXP4 Wedge²

Casemod – carbon fever

V8-trike