Laminat (Verbundwerkstoff)

Ein Laminat ist in der Technik ein Faserverbundwerkstoff aus mehreren Lagen von Verstärkungsfasern, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, meist in Epoxid- oder Polyesterharz. Im Deutschen spricht man von faserverstärktem Kunststoff (FVK), im Englischen von FRP (Fiber Reinforced Polymer). Je nach Faser unterscheidet man CFK (Kohlenstofffasern), GFK (Glasfasern) und AFK (Aramidfasern, etwa Kevlar).

Der wichtigste Vorteil von Laminaten ist das hohe Verhältnis von Festigkeit und Steifigkeit zum Gewicht. Kohlefaserverbunde können in Faserrichtung eine höhere Festigkeit als Stahl erreichen, bei deutlich geringerem Gewicht. Deshalb sind sie in der Luftfahrt, im Motorsport (Formel 1, Rennräder), in der Raumfahrt und bei hochwertigen Sportartikeln weit verbreitet.

Zu den Fertigungsverfahren gehören das Handlaminieren in eine Form (Hand Layup), Harzinfusionsverfahren (Vakuuminfusion oder RTM), das Aushärten von Prepregs im Autoklav für Luftfahrtqualität sowie thermoplastische Verbundwerkstoffe für eine schnelle Serienfertigung. Jedes Verfahren bietet einen anderen Kompromiss aus Kosten, mechanischen Eigenschaften und Serientauglichkeit.

Die Konstruktionsregeln für Laminate unterscheiden sich deutlich von denen für isotrope Werkstoffe wie Metalle. Laminate sind anisotrop, ihre Eigenschaften hängen also von der Faserorientierung relativ zur Belastung ab. Der richtige Lagenaufbau (Reihenfolge und Orientierung der Lagen, englisch Laminate Schedule oder Layup) ist entscheidend für die mechanischen Eigenschaften des Bauteils.

Laminate werden dort eingesetzt, wo geringes Gewicht bei hoher Steifigkeit entscheidet: Rahmen und Arme von Robotern und Drohnen, Fahrzeug- und Flugzeugteile, Sportgeräte, Abdeckungen und Verkleidungen, Rotorblätter oder Träger. GFK ist die günstigere Wahl für Abdeckungen, Behälter, Bootsrümpfe und Teile, die Korrosion und Witterung standhalten sollen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich große Formteile in kleinen Serien mit relativ günstigen Formen herstellen lassen und die Fasern gezielt in Richtung der Hauptbelastung ausgerichtet werden können.

Ein Laminat lässt sich nicht wie ein Metallteil aus einem anderen Werkstoff konstruieren. Die Festigkeit quer zur Faser und zwischen den Lagen (interlaminar) ist deutlich geringer, deshalb sind Bohrungen, Krafteinleitungsstellen und Verbindungen kritisch. Schraubverbindungen brauchen Inserts oder Aufdickungen, Klebeverbindungen eine sorgfältige Oberflächenvorbehandlung.

Die Eigenschaften des fertigen Bauteils hängen stark vom Fertigungsprozess ab (Harzgehalt, Lufteinschlüsse, Genauigkeit der Lagenablage). Katalogwerte sind daher nur Richtwerte, bei tragenden Bauteilen sollten Sie Prüfungen einplanen. Fragen Sie den Lieferanten nach Fertigungsverfahren, Faser- und Harztyp, Lagenaufbau und Qualitätsprüfung. Achten Sie außerdem auf die UV-Beständigkeit des Harzes und auf Kontaktkorrosion, wenn Aluminium direkt an Kohlenstofffasern anliegt.