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„Große Bandbreite der FVK ist eine Herausforderung ans Engineering“, weiter zum Artikel ...


Interview mit Dipl.-Ing. Jörg Gehrmann, Structural Engineering

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Warum den Faserverbund-Werkstoffen (FVK) und im Speziellen den Carbonfasern eine solch rosige Zukunft prognostiziert wird und was den vergleichsweise jungen Werkstoff auszeichnet, hat tec2-Chefredakteurin Dr. Dunja Beck Dipl.-Ing. Jörg Gehrmann gefragt. Der Inhaber des Kölner Unternehmens Structural Engineering GmbH & Co. KG blickt auf langjährige Erfahrung im automobilen Leichtbau zurück und gibt sein Wissen als Dozent am Institut für Fahrzeugtechnik der FH Köln weiter.

Herr Gehrmann, woran liegt es, dass CFK neben dem Einsatz in der Windenergiebranche bisher eher Nischen wie den Motorsport oder die Raumfahrt besetzt hat?
Dipl.-Ing. Jörg Gehrmann: Die Herstellung von Bauteilen aus CFK gehört seit jeher eher in den handwerklichen Bereich und beschränkte sich auf kleine Stückzahlen. Großserientaugliche Produktion, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie verlangt wird, um wirtschaftlich agieren zu können, war bislang nur begrenzt möglich. Darüber hinaus ist die Herstellung der Fasern sehr energieintensiv und damit ebenso teuer. Dies auszugleichen erfordert umfassende Kenntnisse, was seine mechanischen und chemischen Eigenschaften betrifft. So müssen beispielsweise bereits im Entwicklungs- und Konstruktionsprozess von CFK-Bauteilen die Werkstoffeigenschaften und das Herstellverfahren abgestimmt werden, um die Nachteile in den Materialkosten zu egalisieren. Integralbauweise, also die Kombi- nation mehrerer Funktionen in weniger Bauteilen unter Ausnutzung der CFK-Vorteile, ist das Geheimnis.

Können Sie auf den Unterschied zu Metallwerkstoffen etwas näher eingehen?
Gehrmann: Metalle sind isotrope Werkstoffe, faserverstärkte Kunststoffe dagegen sind orthotrop. Das bedeutet, Metalle besitzen die Eigenschaft, auf Belastungen aus allen Richtungen gleich zu reagieren. Beispielsweise ist die Zugfestigkeit immer gleich, egal aus welcher Richtung die Kraft einwirkt. Orthotrop dagegen bedeutet, dass die Materialeigenschaften nur in Richtung der Verstärkungsfaser vorliegen. Die Faser muss also in Richtung der Belastung ausgerichtet werden. Dies bringt natürlich Änderungen im Konstruktions- und Simulations- prozess mit sich, eröffnet aber zusätzliche Möglichkeiten der Werkstoffoptimierung.

Was zeichnet CFK aus?
Gehrmann: Faserverbundwerkstoffe sind eine Kombination aus hochwertigen Fasern, die es in unterschiedlichen textilen Strukturen am Markt gibt, und einer umgebenden Matrix. Um die flexiblen textilen Strukturen zu verfestigen, sie in Form zu halten und vor äußeren Einflüssen zu schützen, werden verschiedene Harze verwendet, die diese Fasern durchtränken. Die mechanisch sehr hochwertige Faser – neben der Glasfaser besonders die Carbonfaser – besitzt außergewöhnliche Eigenschaften, wie eine sehr geringe Dichte (circa 1,8 g/cm³) kombiniert mit extrem hoher Festigkeit und Steifigkeit. Sie sind chemisch stabil, elektrisch leitend und für Röntgenstrahlen durchlässig. Das Harz jedoch ist sehr dehnbar, sehr leicht, flexibel in Form zu bringen und kostengünstig, dafür von geringer Festigkeit.

Je nach Anforderung an das gewünsch- te Bauteil können also entsprechende Faser-Klassen – zum Beispiel was Steifigkeit und Festigkeit betrifft – und auch angepasste Harze zum Einsatz kommen. Die große Bandbreite der FVK ist eine Herausforderung ans Engineering, aber auch gleichzeitig sein Vorteil gegenüber klassischen Ingenieurwerkstoffen. Der entscheidende Vorteil des CFK-Verbundwerkstoffs bleibt jedoch, dass er mechanische Eigenschaften aufweisen kann wie Stahl, sein Gewicht aber mit dem von Kunststoff vergleichbar ist. Das macht CFK so interessant für den gesamten Leichtbausektor.

Und damit unter anderem für die Automobilindustrie?
Gehrmann: Genau. Schauen Sie sich beispielsweise den Hybridbereich an. Eine der Herausforderungen dort ist es, die Balance zwischen dem immer noch hohen Batteriegewicht und dem Verbrauch, basierend auf dem Fahrzeuggewicht, zu finden. Weiterer Punkt: die drohenden Strafzahlungen im Rahmen der EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen. Hier ist der verstärkte Einsatz von Leichtbau auch durch Werkstoffe ein möglicher Zukunftsweg und eröffnet damit auch finanzielle Anreize für Hersteller und Kunden.

Allerdings erfordert die Verwendung von CFK in der Automobilindustrie die weitergehende Automatisierbarkeit der Produktion, um die Anforderungen dieses Marktes erfüllen zu können. Die textilen Halbzeuge und die Aushärtung mit der Matrix müssen automatisiert durchgeführt werden und dafür ist ein gewaltiger Entwicklungsaufwand nötig. Es gibt momentan zwei Knackpunkte, was die Großserienproduktion betrifft:

Erstens das Beherrschen des Werkstoffs schon in der Entwicklung. Nur durch die konsequente Nutzung des Potenzials der Composites können diese auch wirtschaftlich eingesetzt werden. Dazu gehört auch die Gewährleistung der Sicherheit. CFK verhält sich bei Krafteinwirkung anders als Metall. Metall verformt sich plastisch, CFK bricht schlagartig – nimmt dabei aber viel mehr Energie auf als Metalle. Außerdem müssen sich die Hersteller verstärkt mit der Verbindungstechnik auseinandersetzen. Die Bauteile können nicht mehr punktuell geschweißt werden. Sie werden flächig verklebt. Das erfordert ein klinisch sauberes Umfeld in den Produktionshallen, wo die Schweißroboter durch Kleberoboter ersetzt werden.

Zweitens die Taktzeiten. Zurzeit liegen die Zykluszeiten bei der Herstellung von CFK-Bauteilen bei zehn bis 20 Minuten und sind damit um ein Vielfaches höher als zum Beispiel beim Tiefziehen von Blechen. Das geht im Sekundentakt.

Wie sieht es mit dem Recycling von CFK aus?
Gehrmann: Je nach Matrixsystem im Verbund bleiben hier nicht viele Möglichkeiten: Das mechanisch beste Harz auf Epoxidbasis lässt sich quasi nur thermisch – also durch Verbrennen – recyceln. Die dabei zurückbleibenden Carbonfasern lassen sich jedoch als Kurzfasern hervorragend wieder für neue Bauteile verwenden. Thermoplastische Matrixsysteme lassen sich schreddern und unter Temperatur in eine neue Form bringen. Die mögliche Rückgewinnung der wertvollen Faser wird bei zunehmender Menge im Markt hier sicherlich noch viele neue Methoden entstehen lassen.

Neben Ihrer wirtschaftlichen Tätigkeit engagieren Sie sich auch im Hochschulbereich. Warum ist es so wichtig, dass der Bereich CFK in die Ingenieurausbildung integriert wird?

Gehrmann: Es ist ganz wichtig, schon in der Ausbildung das Verständnis für den CFK-Werkstoff zu vermitteln. Die Kenntnisse, wo und wie der Werkstoff richtig eingesetzt werden kann, müssen bereits im Studium auf dem Lehrplan stehen. Aber auch die berufliche Weiterbildung ist unverzichtbar.

Die Mitarbeiter in den verschiedenen Betrieben müssen qualifiziert werden und auch was die betrieb­liche Ausbildung betrifft, ist eine Umorientierung gefordert. Bereiche wie Wartung, Reparatur, Recycling werden durch den verstärkten Einsatz dieses Werkstoffes mehr und mehr in den Vordergrund rücken.

Im Hinblick auf den endlichen Rohstoff Erdöl: Gibt es ­Alternativen zur Carbonfaser?
Gehrmann: Natürlich immer noch die weit verbreitete Glasfaser, welche auf einer Quarz-Basis beruht. In Zukunft aber beispielsweise auch Fasern aus Naturmaterialien wie Hanf oder Flachs. Allerdings besitzen diese nur zehn bis 20 Prozent der Eigenschaften von Carbonfasern. Insgesamt weisen Naturfasern eine sehr geringe Dichte, dichtebezogen gute mechanische Eigenschaften sowie gute thermische und akustische Eigenschaften auf. Sie nehmen allerdings Feuchtigkeit auf und sind brennbar. Sie werden ihren Einsatz eher bei nichtstrukturellen Bauteilen wie Innenverkleidungen finden. Auf 40 bis 50 Prozent der mechanischen Eigenschaften bringen es Basaltfasern. Diese sind temperaturbeständig bis 800 °C sowie chemikalienbeständig. Sie weisen bei moderaten Kosten bereits eine hohe mechanische Festigkeit auf. Basaltfasern kommen heute unter anderem bei Abgassystemen in der Automobilindustrie oder in der Bauindustrie zum Einsatz, finden aber zunehmend mehr Interessenten auch in anderen Gebieten.

Structural Engineering

Die Structural Engineering GmbH & Co. KG versteht sich als Entwicklungspartner für Strukturanalyse und Faserverbundkonstruktion. 2011 in Köln gegründet, ging das Unternehmen aus dem seit 2009 bestehenden Ingenieurbüro von Dipl.-Ing. Jörg Gehrmann hervor. Zum Team gehören heute sechs feste und weitere freiberufliche Mitarbeiter – erfahrene Berechner und Composite Designer. Schwerpunkte von Structural Engineering sind die Strukturanalyse und -optimierung mit numerischen Methoden (FEM), die Konzeption, Konstruktion und Berechnung von Faserverbundbauteilen (CFK) sowie die Beratung in diesen Bereichen. „Wir stehen unseren Kunden im gesamten Produktentwicklungsprozess zur Seite – von der ersten Idee bis zum getesteten Bauteil“, so Inhaber Jörg Gehrmann. Der Diplom-Ingenieur kann auf jahrelange Erfahrung in diesem Bereich zurückblicken. Schon als Student an der RWTH Aachen richtete sich sein Interesse vorwiegend auf Leichtbaukonzepte. Im Jahr 2000 stieg er in das Kölner Toyota Formel-1-Projekt ein und war hier vor allem für die Berechnung und Leitung des Bereichs Composite-Konstruktion zuständig. Nach dem Rückzug Toyotas aus dem Motorsport im Jahr 2009 gründete er sein erstes Ingenieurbüro. Kunden aus den Branchen Motorsport, Automobil, Windkraft, Sportartikel, Bootsbau, Medizintechnik und Maschinenbau greifen auf das Leistungsspektrum von Structural Engineering zurück.

Structural Engineering GmbH & Co. KG
Vogelsanger Str. 195a
50825 Köln
Telefon: +49 221 294827-0
Telefax: +49 221 294827-1
info@struct-engineer.de
www.struct-engineer.de


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