Untersuchung der Festigkeit von Glasfasermatten

Zusammensetzung und strukturelle Eigenschaften von Glasfasermatten (Chopped Strand Mat)

Zusammensetzung und Materialien von Glasfasermatten (Chopped Strand Mat)

Glasfasermatten (Chopped Strand Mat), kurz CSM genannt, werden hergestellt, indem E-Glasfasern verwendet werden, die im Wesentlichen aus Siliziumdioxid bestehen, gemischt mit Calcium- und Aluminiumoxiden sowie verschiedenen polymeren Bindemitteln wie Polyester oder Styrol. Das Ergebnis ist eine Art Vliesstruktur, bei der die Faserstränge in der Regel etwa ein bis zwei Zoll lang sind und dadurch eine gleichmäßige Verstärkung im gesamten Material gewährleistet ist. Beim Laminieren löst sich das Bindemittel tatsächlich in der Harzmasse auf. Dies hilft dabei, die einzelnen Schichten sehr gut miteinander zu verbinden, ohne die chemische Stabilität zu beeinträchtigen. Daher setzen viele Hersteller auf dieses Material für ihre Projekte.

Ungeordnete Faserausrichtung und mehrachsige Festigkeit

Wenn die Fasern im CSM-Material isotrop angeordnet sind, verteilen sie Lasten gleichmäßig in alle Richtungen. Eine in der Naval Architecture Review im Jahr 2023 veröffentlichte Studie zeigte zudem etwas Interessantes: CSM erreicht bei Zugbelastung aus allen Winkeln eine Effizienz von rund 94 %, was im Vergleich zu herkömmlichen Geweben ziemlich beeindruckend ist. Die gleichmäßige Verteilung bedeutet, dass es keine schwachen Stellen gibt, die in bestimmte Richtungen zeigen. Deshalb eignet sich dieses Material so gut für Anwendungen wie Bootsrümpfe und Druckbehälter, bei denen die Belastung aus vielen verschiedenen Richtungen gleichzeitig kommt und Risse verhindert werden müssen, bevor sie sich ausbreiten.

Einfluss von Faserlänge und Bindemitteltyp auf die mechanische Leistungsfähigkeit

• Faserlänge : 50 mm lange Fasern optimieren den Harzfluss und die Formanpassung, während Faserlängen von mehr als 75 mm die Scherfestigkeit zwischen den Lagen um 18 % erhöhen (Composite Materials Journal, 2022).
• Bindemittelkonzentration : Matten mit 5 % Bindergehalt halten 23 % höheren Biegespannungen stand, bevor sie sich ablösen, im Vergleich zu Matten mit 3 % Binder, wodurch die strukturelle Integrität beim Handling und Aushärten verbessert wird.

Mechanische Eigenschaften: Zug-, Biege- und Schlagfestigkeit der Glasfaser-Matte

Zugfestigkeit von Glasfaserverstärkungen in geschnittenen Strangmatten

CSM-Materialien weisen typischerweise Zugfestigkeitswerte zwischen etwa 80 MPa und rund 300 MPa auf. Einige speziell formulierte Verbundversionen können im Labor sogar Werte von bis zu 305 MPa erreichen. Interessant an diesem Material ist die zufällige Anordnung der Fasern innerhalb der Matrix. Diese Verteilung hilft dabei, auf das Material einwirkende Kräfte über eine größere Fläche zu streuen, anstatt sie an einer Stelle zu konzentrieren, an der Versagen oft beginnt. Studien haben untersucht, was passiert, wenn wir Chopped Strand Matts mit anderen Verstärkungsmaterialien kombinieren, die eine gezieltere Richtungswirkung aufweisen. Laut jüngsten Erkenntnissen, die von Naga Kumar und Kollegen im Jahr 2024 veröffentlicht wurden, erhöhen solche Kombinationssysteme die Zugfestigkeit um etwa 18 Prozent im Vergleich zum alleinigen Einsatz von CSM.

Biege- und Schlagzähigkeit: Wichtige mechanische Eigenschaften von Glasfasermatten

CSM-Laminate weisen eine beeindruckende Biegefestigkeit von über 70 MPa auf, bei der Schlagzähigkeit Werte von rund 96 J/m erreicht. Was macht das möglich? Die verworrenen Fasern innerhalb dieser Materialien arbeiten zusammen, um Energiekräfte aufzunehmen und im gesamten Verbund zu verteilen. Bei der Wahl der Binder für diese Laminate haben Materialwissenschaftler etwas Interessantes herausgefunden. Polyvinylacetat verbessert die Energienaufnahmefähigkeit tatsächlich um etwa 22 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen styrolbasierten Alternativen, wie aktuelle Forschungen von Sumesh und Kollegen aus dem Jahr 2024 zeigen. Das bedeutet, dass Produkte mit PVA-Bindern dazu neigen, unter ständigen Belastungsbedingungen länger haltbar zu sein, bei denen die Lasten immer wieder ihre Richtung und Intensität ändern.

Vergleichsanalyse: CSM vs. Gewebe-Roving hinsichtlich Festigkeit und Steifigkeit

• Stärke : CSM bietet isotrope Festigkeit, während Gewebe-Roving eine richtungsabhängige Überlegenheit aufweist.
• Steifigkeit : Gewebe-Roving liefert entlang der primären Lastpfade 40–50 % höhere Steifigkeit.
• Kostenwirksamkeit : CSM reduziert den Arbeitsaufwand bei komplexen Konturen um 60 %, da die Handhabung einfacher ist.

Während Gewebe-Roving in uniaxialen Anwendungen überzeugt, wird CSM für mehrachsige Spannungsfelder bevorzugt. Hybride Konfigurationen erreichen 92 % der maximalen Steifigkeit von Gewebe-Roving bei 35 % geringeren Materialkosten (Biswas et al., 2024) und bieten somit eine ausgewogene Lösung für Leistung und Wirtschaftlichkeit.

Industrie-Paradoxon: Hohe Festigkeits- zu Gewichtsverhältnisse trotz zufälliger Faseranordnung

CSM mag er op het eerste gezicht rommelig uitzien, maar levert daadwerkelijk een sterkte-gewichtsverhouding van meer dan 8:1, wat structuurstaal ruimschoots overtreft in gebieden waar gewicht het belangrijkst is, zoals boten en vliegtuigen. Waarom? Omdat er geen enkele richting meer is die zwak is. Toen we het onderwierp aan belastingstests, duurde het ongeveer 19% langer dan die opstellingen met vezels in rechte lijnen, volgens onderzoek van Hanan en anderen uit 2024. Waarom gebeurt dit? Omdat de vezels in drie dimensies verward raken, waardoor meerdere paden ontstaan voor krachtverdeling en er dus voor wordt gezorgd dat niets plots breekt.

Duurzaamheid van glasvezel chopped strand mat in extreme omgevingen

Waterbestendigheid en chemische bestendigheid van glasvezelmat

CSM funktioniert besonders gut in feuchten und korrosiven Umgebungen, da es kein Wasser aufnimmt und von Natur aus chemikalienresistent ist. Die Glasfasern leiten die Feuchtigkeit einfach ab, während das Polyester-Material selbst aggressiven Chemikalien standhält, einschließlich Säuren, Laugen und Lösungsmitteln – sogar bei starker Konzentration (pH-Wert von etwa 12). Dank dieses doppelten Schutzsystems wird CSM häufig für Anwendungen eingesetzt wie unterirdische Tanks, bei denen Wasser überall vorkommt, für Bauteile in Chemieanlagen, die starken chemischen Einflüssen ausgesetzt sind, sowie für Bootsteile, die ständig der salzigen Meeresluft ausgesetzt sind.

Korrosionsbeständigkeit in marinen und industriellen Anwendungen

Im Gegensatz zu Metallen rostet CSM nicht und leidet nicht unter galvanischer Korrosion, weshalb es ideal für den Einsatz in Schiffsrümpfen, Offshore-Plattformen und Abwassersystemen unter Salzwasser ist. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber Nebenprodukten aus Ölraffinerien und industriellen Reinigungsmitteln reduziert die Wartungskosten um 30–50 % im Vergleich zu Stahl und verbessert so den Lebenszykluswert in aggressiven Umgebungen.

Thermische Stabilität bei erhöhten Temperaturen und Feuereinwirkung

CSM behält seine Form, auch wenn er über einen längeren Zeitraum Hitze ausgesetzt ist, und kommt in der Regel mit Temperaturen von etwa 300 Grad Fahrenheit (ca. 149 Grad Celsius) zurecht. Für kurze Momente während eines Brandes erträgt es sogar deutlich höhere Temperaturen von bis zu 600°F (316°C). Im Gegensatz zu vielen Materialien, die unter ähnlichen Umständen einfach schmelzen würden, verkohlt CSM allmählich, ohne zu viel Festigkeit zu verlieren. Diese Eigenschaft macht es besonders wertvoll für Anwendungen, bei denen Brandgefahr besteht, wie z. B. im Inneren von Fahrzeugmotoren oder in der Nähe von Industrieanlagen, die eine ordnungsgemäße Isolierung erfordern. Laut den UL-94-Prüfstandards, die das Brennverhalten von Werkstoffen messen, erlöschen Proben von CSM innerhalb von nur zehn Sekunden von selbst, sobald sie nicht mehr direkt der Flamme ausgesetzt sind.

Harzkompatibilität und Verarbeitung für optimale Verbundeigenschaften

Harzkompatibilität mit geschnittenem Strangmatten

CSM funktioniert gut mit vielen verschiedenen Harzen, und zwar aufgrund der inerten Glasfasern sowie der Binder, die in Polyester auflösbar sind. Die Zahlen bestätigen dies ebenfalls – wenn alles ordnungsgemäß durchtränkt wird, sprechen wir von etwa 92 % Bindungsstärke im Vergleich zu gewebten Materialien, wie aus dem Composite Materials Journal des letzten Jahres hervorgeht. Das Besondere an CSM ist seine offene Struktur, die dem Harz ermöglicht, tief in das Material einzudringen. Doch hier wird es für Hersteller interessant: Die Auflösung verhält sich unterschiedlich, je nachdem, ob orthophthalsäure- oder isophthalsäurebasierte Polyesterharze verwendet werden. Dieser Unterschied wirkt sich auf die Verarbeitungszeiten aus und kann die Produktionseffizienz in realen Anwendungen beeinflussen.

Beste Harze zur Verwendung mit Chopped Strand Mat (Polyester, Epoxidharz)

Polyesterharze dominieren die CSM-Anwendungen (75 % Marktanteil), doch Epoxidharze gewinnen in Hochleistungsbereichen an Bedeutung. Wichtige Optionen sind:

• Orthophthalischen Polyester : Kostengünstige Wahl für Bootstanks ($18–$22/gal)
• Vinylester : Bietet 35 % besseren chemischen Widerstand als herkömmliches Polyester
• Epoxidharz-Systeme : Liefern 15 % höhere Zugfestigkeit, erfordern jedoch präzise Benetztechniken

Studien zeigen, dass Epoxid-CSM-Kombinationen die Bildung von Hohlräumen um 40 % reduzieren im Vergleich zu Polyester, wenn die Verarbeitung unter 60 % relativer Luftfeuchtigkeit erfolgt.

Ideales Harz-zu-Vlies-Verhältnis für optimale Leistung

Die optimale mechanische Leistung wird bei einem Harz-zu-Faser-Verhältnis von 60:40 Gewichtsprozent erreicht. Abweichungen führen zu messbaren Einbußen:

Verhältnisbereich	Biegefestigkeitsabweichung
55:45	-12 %
60:40	Basislinie
65:35	-9%

Überschüssiges Harz fügt unnötiges Gewicht hinzu, während unzureichendes Harz trockene Stellen verursacht, die die Scherfestigkeit zwischen den Lagen um bis zu 30 % reduziert.

Effizienz der Harzdurchtränkung und Herausforderungen durch eingeschlossene Luft bei der Laminierung

Die zufällige Faseranordnung in CSM kann den Harzfluss behindern und erfordert spezifische Verarbeitungstechniken:

• Die vertikale Rollensättigung erhöht die Durchtränkgeschwindigkeit um 25 %
• Die Vakuumbeutelung begrenzt den Porositätsgehalt auf weniger als 1,5 %
• Schichtenweises Auftragen verhindert das Ausspülen des Bindemittels in dicken Laminaten

Es ist entscheidend, die Harzviskosität zwischen 300–500 cPs zu halten – höhere Viskositäten binden 2,3±-mal mehr Luft ein, wie in kontrollierten Laminationsversuchen gezeigt wurde.

Wichtige industrielle Anwendungen, die die Stärke von Glasfasermatten nutzen

Marine Anwendungen: Rumpfverstärkung und Langlebigkeit im Salzwasser

Marine Ingenieure verwenden CSM zur Rumpfverstärkung und nutzen dessen Korrosionsbeständigkeit und mehrachsige Festigkeit. Es widersteht Welleneinwirkung und Salzwassereinflüssen, verbessert die Auftriebseigenschaften durch leichte Bauweise und eliminiert das Risiko von Rostbildung. Studien bestätigen, dass CSM über 15 Jahre hinweg die strukturelle Integrität in maritimen Umgebungen beibehält (2023), was die langfristige Zuverlässigkeit von Schiffen unterstützt.

Automotive und Luftfahrt Anwendungen: Leichte, hochsteife Verbundlösungen

Im Transportwesen wird CSM in Türpaneelen, Stoßdämpferkernen und Flugzeug-Innenkomponenten eingesetzt. Eine Materialanalyse aus dem Jahr 2024 ergab, dass CSM-basierte Verbundwerkstoffe das Bauteilgewicht um 38 % im Vergleich zu Stahl reduzieren, bei gleicher Zugfestigkeit. Diese Gewichtseinsparung verbessert die Kraftstoffeffizienz bei Fahrzeugen und erhöht die Nutzlastkapazität bei Flugzeugen, was den globalen Nachhaltigkeitszielen entgegenkommt.

Flexibilität und Formanpassungsfähigkeit in komplexer Verbundfertigung

Die gute Drapierbarkeit von CSM bedeutet, dass es wirklich um komplexe Formen gelegt werden kann, ohne sich zu verknittern. Hersteller erzielen dadurch bessere Ergebnisse bei der Fertigung von Dingen wie Windturbinenblättern und Motorradverkleidungsteilen. Betriebe, die auf CSM gewechselt sind, stellten fest, dass der Laminierprozess ungefähr 27 % schneller verlief als mit herkömmlichen Gewebe-Materialien, da es kein Richtungsbias gibt, um das man sich während der Verarbeitung sorgen machen muss. Diese Flexibilität erklärt, warum viele Betriebe auf CSM zurückgreifen, wenn sie neue Designs prototypisch umsetzen oder größere Mengen unregelmäßig geformter Komponenten produzieren müssen. Für alle, die regelmäßig mit komplexen Formen arbeiten, funktioniert dieses Material in der Praxis einfach besser als die meisten Alternativen.

Häufig gestellte Fragen

Woraus besteht das Glasfaservlies (CSM)?

CSM besteht aus E-Glas-Fasern, kombiniert mit polymeren Bindemitteln, wie Polyester oder Styrol, wodurch eine gewebelose Stoffstruktur entsteht.

Wie wirkt sich die zufällige Faserausrichtung auf die mechanischen Eigenschaften von CSM aus?

Zufällige Faserausrichtung verteilt Lasten gleichmäßig in alle Richtungen, wodurch die mehrachsige Festigkeit erhöht und Schwachstellen verhindert werden.

Welche sind die Hauptvorteile der Verwendung von CSM in marinen Anwendungen?

CSM bietet Korrosionsbeständigkeit, mehrachsige Festigkeit und langfristige Langlebigkeit in salzigen Umgebungen und ist daher ideal für die Verstärkung von Rumpfkonstruktionen.

Warum wird CSM in komplexen Verbundstofffertigungsprozessen bevorzugt?

CSM bietet hervorragende Drapierbarkeit um komplexe Formen, schnelle Laminierverfahren und eliminiert Richtungseinflüsse, wodurch es für Prototyping und Serienfertigung geeignet ist.