Der Anwendungsbereich von Verbundwerkstoffen

Verbundwerkstoffe werden durch die Kombination zweier oder mehrerer anderer Materialien hergestellt, sodass sie sich ergänzen und verbessern, im Endprodukt jedoch ihre eigenen, einzigartigen Eigenschaften behalten.

Extrusionsmaschine für Kunststoffplatten

Maschinen für Kunststoffrecycling

Aufgrund ihrer hervorragenden Leistung werden Verbundwerkstoffe in den verschiedensten Bereichen breit eingesetzt. In dieser Artikelserie werden die wichtigsten Anwendungsbereiche von Verbundwerkstoffen umfassend untersucht, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Bauwesen, Energie, Energiespeicherung, Infrastruktur, Schifffahrt, Pipelines und Lagertanks, Sport und Unterhaltung, Transport und zehn weitere Bereiche.

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Luft- und Raumfahrt

Große OEMs aus der Luftfahrtindustrie wie der europäische Airbus und der US-amerikanische Boeing haben das Potenzial für den großflächigen Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Luftfahrt aufgezeigt, während die NASA nach Verbundwerkstoffherstellern für Raketen und andere Raumfahrzeuge mit innovativen Verbundwerkstofflösungen sucht.

Der Anteil von Verbundwerkstoffen in jeder neuen Flugzeuggeneration, die von Boeing entwickelt wird, hat zugenommen, und der Anteil von Verbundwerkstoffen im Boeing 787 Dreamliner hat 50 % überschritten. Wichtige Strukturkomponenten des Boeing 787 Dreamliner bestehen mehr aus Kohlefaser-Sandwich-Verbundwerkstoffen und modernen Kohlefaserlaminaten, weg von archaischen Glasfaserverbundwerkstoffen.

Andererseits werden Aramidfasern häufig für die Konstruktion von Vorder- und Hinterkantenflügeln sowie für sehr steife, sehr leichte Schotten, Kraftstofftanks und Böden verwendet. Darüber hinaus werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie auch moderne Verbundwerkstoffe aus hochfesten und starren Fasern, die in gängige Matrixmaterialien eingebettet sind, häufig verwendet.

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Automobilindustrie

Als größter Endverbrauchermarkt für Verbundwerkstoffe ist die Automobilindustrie mit Verbundwerkstoffen vertraut. Verbundwerkstoffe leisten nicht nur Pionierarbeit im Fahrzeugdesign, sondern tragen auch dazu bei, Fahrzeuge leichter und kraftstoffeffizienter zu machen. Automobile benötigen zuverlässige, synchronisierte Mechanismen mit Komponenten, die Reibung, Korrosion und Temperaturschwankungen standhalten.

Ungenauigkeiten in Design oder Produktion beeinträchtigen die Leistung und können dem Hersteller Kosten verursachen. Im Vergleich zu metallischem Stahl erfüllt und übertrifft die Leistung von Verbundwerkstoffen die Anforderungen der Automobilindustrie. Zu diesen einzigartigen Eigenschaften gehören:

niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient

Hervorragende Dimensionsstabilität für Formbeständigkeit und Zuverlässigkeit

Korrosionsbeständigkeit bei Nässe und Trockenheit

Hohe Schlagfestigkeit für wiederholten Gebrauch

Relativ geringes Gewicht, um die Gesamtmasse des Fahrzeugs zu reduzieren

Bessere Schalldämmung und bessere Leistung

Lackierbarkeit, einschließlich der Fähigkeit, die Oberflächenanforderungen der Klasse A zu erfüllen, Lackier- und Einbrennprozesse

Einfach herzustellen und relativ kostengünstig

Typische Anwendungen von Verbundwerkstoffen in Innen- und Außenstrukturen von Kraftfahrzeugen

Verbundwerkstoffe werden häufig in einer Reihe von Automobilstrukturteilen verwendet, von Scheinwerfergehäusen über elektrische und thermische Isolierkomponenten unter der Motorhaube bis hin zu Karosserieteilen, Innenstrukturen und Verkleidungsteilen. Nachfolgend sind die häufigsten Anwendungen von Verbundwerkstoffen in Automobilteilen aufgeführt:

Deflektoren und Spoiler

Ansaugkrümmer

Batteriefach und Abdeckung

Stoßfänger und Stoßfängerträger

Zylinderköpfe (z. B. Ventile, Kipphebel, Nocken) Abdeckungen

Fenster-/Schiebedachrahmen

Frontgrill-Öffnungsplatte

Gehäuse des Frontscheinwerfers

Hitzeschilde (zB Motor, Getriebe)

Streben und Abdeckungen

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Bauwirtschaft

In der Baubranche wächst das Verständnis und die Verwendung von Verbundwerkstoffen erheblich. Verbundwerkstoffe bieten Architekten und Designern bei Großprojekten hohe Leistung und Wert, und ihre Verwendung im Gewerbe- und Wohnungsbau nimmt zu.

In einem aktuellen Artikel baut die Palari Group nachhaltige 3D-gedruckte Wohnanlagen und Häuser. Mighty Buildings ist ein Bautechnologieunternehmen, das 3D-Druck, Robotik und Automatisierung nutzt, um erschwingliche und nachhaltige Häuser zu bauen. Der grundlegende Baustein des Hauses ist das Mighty Panel, ein 3D-gedrucktes 100 % Polymerverbundpanel mit Struktur, Isolierung, MEP-Integration, Luft-/Feuchtigkeits-/Brandschutz und Innen-/Außenverkleidung. Mighty Buildings druckt einzelne Panels in seiner Fabrik und setzt sie dann auf der Baustelle zu Häusern zusammen.

Im Bauwesen spielen die hochfesten Eigenschaften von Kohlefasern eine positive Rolle. Kohlefasern sind extrem stark, weich und leicht zu verlegen und können zur Reparatur und Verstärkung von Gebäuden verwendet werden, damit diese wie neue Gebäude aussehen. Kohlefaserlaminate werden häufig verwendet, um die Tragfähigkeit von Böden und Säulen zu erhöhen. Darüber hinaus sind Kohlefasern erdbebensicher und können daher auch zur strukturellen Verstärkung von Neubauten und als Ersatz für vorgefertigten Stahl verwendet werden.

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Bereich Energiespeicherung

Multifunktionale Energiespeicherverbundstoffe (MESCs) werden entwickelt, indem Batterieschichten in die Struktur eingebettet werden, wobei ineinandergreifende Nieten die Batterieschichten sichern und so zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften beitragen. Experimentelle Tests zeigen, dass MESCs ein vergleichbares elektrochemisches Verhalten wie andere Materialien aufweisen können. Im Vergleich zu Pouch-Zellen erreichen MESCs eine 15-mal höhere mechanische Steifigkeit bei 60 % Einkapselungseffizienz.

Zu den weiteren repräsentativen Anwendungen von Verbundwerkstoffen in der Energiespeicherung gehören:

Wasserstofftanks für die Luft- und Raumfahrt

Wasserstoff-Brennstoffzellensystem

Batterie aus natürlichem Verbundmaterial

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Infrastrukturbereich

Streng genommen gibt es keine strikte Trennung zwischen Infrastruktur und Gebäuden. In den letzten Jahren hat der Infrastrukturbau mit dem Aufkommen neuer, kostengünstiger und leistungsstarker Verbundwerkstoffe eine neue Phase erreicht. Faserverstärkter Kunststoff (FRP) kann nicht nur Stahl in vielen tragenden Strukturen ersetzen, sondern es hat sich auch als machbar erwiesen, Betonträger mit innen oder außen gebundenem Faserverstärktem Kunststoff (FRP) zu verstärken.

Verbundwerkstoffe aus Glas-, Aramid- oder Kohlenstofffasern werden zunehmend zum Vorspannen, Nachspannen oder Bewehren von Beton in Betracht gezogen. Als Ersatz für korrodierte Bewehrungsstäbe können FRP-Systeme möglicherweise in Betonbrücken oder anderen Betonbodenkonstruktionen im Außenbereich eingesetzt werden.

Die Korrosionsbeständigkeit ist einer der Hauptfaktoren, die Kohlefaser im Infrastruktursektor so attraktiv machen. Kohlefaser korrodiert und rostet nicht, sodass die Kohlefaserbetonschicht sehr dünn sein kann, da keine Korrosionsschutzmaßnahmen wie beim Stahlkern erforderlich sind. Dadurch wird die im Gebäude verwendete Betonmenge erheblich reduziert und es ergeben sich auch andere Vorteile, wie Kostensenkung und Beschleunigung des Baufortschritts, kürzere Trocknungszeiten usw. Darüber hinaus kann Kohlefaser aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit zur Abschirmung elektromagnetischer Störungen verwendet werden, kann Informationen zu Gebäudeparametern übertragen und ein integraler Bestandteil intelligenter Gebäude werden.

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Neues Energiefeld

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen im Bereich erneuerbarer Energien wird eine immer wichtigere Rolle spielen, da hier Strukturen entstehen, die nachhaltige Energie nutzen können. Geringeres Gewicht, geringere Transport- und Installationskosten und vor allem geringere Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer der Struktur im Vergleich zu Metallstrukturen haben Verbundwerkstoffe zum De-facto-Material für Großprojekte gemacht. Sie bieten wirtschaftliche Lösungen.

Das geringe Gewicht und die komplexen Profilformen der Rotorblätter von Windturbinen haben Verbundwerkstoffe zu einem Vorreiter auf diesem Gebiet gemacht. Dabei kommen Formen zum Einsatz, die eine kostengünstige Herstellung der Rotorblätter mit minimalem Arbeitsaufwand ermöglichen. Die aktuelle Forschung und Entwicklung zielt darauf ab, den zunehmenden Größenanforderungen für Turbinen- und Rotorblätter für landgestützte und Offshore-Systeme gerecht zu werden.

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Ozeanfeld

Seit Jahrzehnten werden FRP-Verbundwerkstoffe erfolgreich in maritimen Anwendungen wie Radarkuppeln und Massenstrukturen, Superyachten, Arbeitsbooten und Freizeitbooten eingesetzt. In jüngerer Zeit wird FRP auch in weniger bekannten Anwendungen wie Lagern, Propellern, kommerziellen Luken, Auspuffanlagen und Dachkonstruktionen eingesetzt.

Die Verwendung von Glasfaserverbundwerkstoffen im Schiffsbau war einer der ersten bedeutenden Anwendungsbereiche von GFK. Sie hat die Fähigkeit, große Verbundstrukturen in vielen Bereichen zu entwerfen und herzustellen, revolutioniert. Das Boot wird in Großbritannien in verschiedenen Verfahren hergestellt, darunter handverlegtes GFK, Harzinfusion, Thermoplast und Hochleistungs-Kohlefaser-Prepreg für Rennyachten.

Die Hauptvorteile von GFK in maritimen Anwendungen sind:

Umweltbeständigkeit, einschließlich Fäulnisfreiheit, Korrosionsbeständigkeit usw.

Fähigkeit zur Verarbeitung nahtloser, komplex geformter Strukturen

Möglichkeit, die Stärke den Belastungsbedingungen anzupassen

Hervorragendes Verhältnis von Festigkeit und Gewicht – Schiffsstrukturen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) wiegen typischerweise nur halb so viel wie vergleichbare Stahlstrukturen.

geringer Wartungsaufwand und einfache Reparatur

ausgezeichnete Haltbarkeit

Bei Ruderbooten kommen Verbundwerkstoffe häufiger zum Einsatz als bei anderen Schiffsbauwerken. Aufgrund der besonderen Anforderungen handelt es sich bei den verwendeten Materialien nicht um typische Schiffsbaumaterialien. Bei der Konstruktion waren minimales Gewicht und maximale Steifigkeit entscheidend, um mit Höchstgeschwindigkeit segeln und den Auswirkungen von Wellen und anderen Elementen der Meeresumwelt standhalten zu können.

Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidverbundstoffe werden häufig für Rümpfe, Rahmen, Kiele, Masten, Stangen und Ausleger mit Waben- oder Schaumkern, Karbonwindentrommeln und Wellen verwendet. Die Verwendung von glasfaserverstärktem Kunststoff trägt zur Leistungssteigerung bei und minimiert das Risiko von Navigationsfehlern und Pannen unter den unterschiedlichen internationalen Segelbedingungen.

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Bereich Rohrleitungssysteme

Verbundrohrsysteme werden seit mehr als 25 Jahren in Chemieanlagen eingesetzt. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen in industriellen Anwendungen verbreitete sich in den 1970er Jahren. Heute werden Verbundrohrleitungen und -tanks zunehmend in ober- und unterirdischen, gewerblichen, kommunalen und privaten Anwendungen eingesetzt. Der Markt wächst durch den Bau neuer Chemieanlagen und die Erweiterung älterer Anlagen durch kostengünstiges Erdgas weiter.

Typische Anwendungen und Produkte von Verbundrohren sind:

Luftreinhaltung

Aquakultur

chemische Verarbeitung

Entsalzung

Erdöl und Erdgas

Wasser- und Abwasserbehandlung

Pipeline

Armaturen und Liner

Pipelinesystem

Kraftstofftankauskleidung

Öllagertank

Prozessbehälter

Scrubber

Ventil

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Sport- und Freizeitbereich

Kohlefaser hat im Bereich Sportartikel schon immer eine wichtige Rolle gespielt. Vom Rennsport über Skifahren, Golf, Angeln bis hin zum Tennis wird Kohlefaser häufig verwendet. Mit der zunehmenden Beliebtheit und dem sinkenden Preis von Kohlefaser wird sie immer häufiger für Sportartikel verwendet.

Kohlefaser wird heute in vielen Schlägern, Snowboards, Schlitten, Hockeyschlägern, Angelruten, Golfschlägern, Fahrrädern, Surfbrettern, Drachen, Schuhen und anderen Sportprodukten verwendet.

Carbonfaser in Sport und Freizeit

Derzeit werden bei 7 der 10 beliebtesten Outdoor-Sportarten und Freizeitaktivitäten Verbundwerkstoffe verwendet. Glasfaser- und kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe ersetzen weiterhin Holz und Metall in Angelruten, Tennisschlägern, Spieren/Schäften für Kajakpaddel, Windsurfmasten und -brettern, Hockeyschlägern, Drachen und Fahrradlenkern.

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Transport

In der Transportbranche gibt es einen Trend hin zu größeren Fahrzeugen. Ob Bus, Zug oder Sattelzug, die Idee ist einfach: mehr Ladung transportieren. Die Herausforderung besteht darin, Wege zu finden, größere Lasten sicher zu transportieren und dabei Kraftstoff zu sparen und die Umweltbelastung zu verringern. Verbundwerkstoffe bieten eine beeindruckende Antwort auf diese Herausforderung.