GFK vs. CFK – Vergleich von GFK mit CFK (Kohlefaserverstärkte Kunststoffen)

Stahl ist ihnen zu schwer und rostet zu schnell? Holz ist Ihnen nicht robust genug und ist viel zu witterungsanfällig? Dann sind Sie an dieser Stelle genau richtig, denn carbonfaserverstärkter- (CFK) und glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) vereinen leichtes Gewicht und stahlartige Robustheit in einem Baumaterial.

Doch was genau sind CFK und GFK? Was sind ihre Vorteile gegenüber traditionellen Baumaterialien und wie unterscheiden sie sich voneinander? Genau diese Fragen haben wir hier für sie hier beantwortet, damit Sie genau erfahren können, was die Baumaterialien der Zukunft sind und ausmacht.

Was ist glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK)?

Wie bereits im Namen verraten besteht GFK aus zwei Materialien, nämlich Glasfaser, die von einer Kunststoff-Matrix umgeben sind. Diese Mischung sorgt dafür, dass das Material weiterhin leicht bleibt, aber zur gleichen Zeit eine beachtliche Robustheit aufweist.

Die unterschiedlichen Kunststoffmatrizes

Bei der Auswahl Ihrer GFK-Produkte müssen Sie darauf achten, dass es mehrere Formen glasfaserverstärkter Kunststoffe gibt. Wichtig ist diese Unterscheidung vor allem bei der Art der Kunststoffe, welche verwendet wurden, da diese in der Regel über unterschiedliche physikalischen Eigenschaften verfügen. Doch wie heißen diese Kunststoffe?

Duroplaste

Diese Kunststoffe besitzen die besonderen Eigenschaften, dass sie nach der Verarbeitung nicht weiter verformbar sind. Aufgrund dessen werden diese oft in Situationen verwendet, bei denen der Kunststoff hohen und schwankenden Temperaturen standhalten muss und nicht mehr schmelzen kann.

Thermoplaste

Im Gegensatz zu den Duroplasten lassen sich diese Kunststoffe auch nach der Verarbeitung bei bestimmten Temperaturverhältnissen verformen. Jedoch sollte hier darauf geachtet werden, dass eine zu hohe Temperatur dazu führt, dass sich das Material zersetzt und schmilzt.

Elastomere

Wie der Name von diesem Material vermuten lässt, handelt es sich hierbei um formbare und elastische Kunststoffe, die jedoch sehr formfest sind. Dies bedeutet, dass sie sich einfach durch Druck, Hitze und Zug verformen lassen, aber nachdem sie belastet wurden, schnell wieder zur Originalform zurückfinden.

Was sind Glasfasern?

Zur Herstellung dieser Faser wird geschmolzenes Glas lediglich in dünne Fäden gezogen. Wohl die wenigsten denken bei Glas an ein robustes und schlagzähes Material, doch tatsächlich besitzen Glasfaser ganz andere Eigenschaften als Glas in anderen Zuständen. Somit sind diese für ihre Alterungs– und Witterungsbeständigkeit, chemische Resistenz und äußerst robusten, geradezu unbrechbaren Merkmale bekannt, die dem Verbundwerkstoff GFK seine Stabilität verleiht.

Besonderheit der Glasfaser

Neben den Kunststoffen haben auch die Glasfaser einige Besonderheiten, wenn es um GFK geht. Bei diesen unterscheidet man zwischen Kurz-, Lang– und Endlosfasern, wobei die Regel gilt: je länger die Faser, desto robuster das Material. Darüber hinaus können die Faser auch unterschiedlich in der Kunststoff-Matrix vorliegen – unterschieden wird zwischen Gelege, Vliese, Gewebe und Schnittmatten. Dadurch sind die Kombinationsmöglichkeiten von Fasern und Kunststoffen nahezu endlos und es kommt auf Ihre individuellen Bedürfnisse an, welche Art von Mischung die idealen GFK-Komponenten für Sie ergibt.

Was sind die Vorteile von GFK?

Glasfaserverstärkter Kunststoffe verfügen über eine breite Palette an Vorteile und ersetzt folglich nach und nach immer mehr traditionelle Werkstoffe wie Aluminium, Holz und Stahl. Die wichtigsten Vorteile lauten wie folgt:

• Langlebig und Robust
• Witterungsbeständig und Korrosionsfest
• Nicht stromleitend und thermisch isolierend
• Leicht und formbar
• Temperatur– und feuchtebeständig

Was ist carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK)?

Bei diesem Material handelt es sich um ein ähnliches wie bei GFK, das ebenfalls aus einer Grundsubstanz und einer Matrix besteht. Auch hier werden Carbonfasern in eine üblicherweise aus Kunstharz bestehende Kunststoff-Matrix eingebettet, um einen leistungsstarken Verbundwerkstoff herzustellen.

Gibt es Unterschiede bei der Herstellung von CFK?

Die kurze Antwort? Ja. Es gibt verschiedene Wege, mit ihren eigenen Vorteilen in Sachen Herstellungskosten oder Eigenschaften. Nur einige von vielen Techniken sind:

• Wickelverfahren
• Nasspressen
• Aufblasverfahren
• Flechten
• Prepreg-Presstechniken
• Fiber-Placement
• Autoklavtechnik
• Tape-Legen
• RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Molding)

Doch bevor die Fertigung von CFK überhaupt relevant wird, steht erst noch die Herstellung der Carbonfasern eine Rolle.

Was sind Carbonfasern?

Es handelt sich hierbei bei mikroskopisch kleinen Fasern, die industriell gefertigt werden und so veredelt sind, dass sie fast nur aus Kohlenstoff bestehen. Die Fasern sind in etwa achtmal kleiner als ein menschliches Haar, weswegen 1000 bis 60000 Filamente zu einem Garn auf einer Spule zusammengewickelt werden, um sie überhaupt nutzbar zu machen.

Da sie oft auch Kohlenstofffasern genannt werden, wird CFK auch manchmal Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff genannt.

Wie entstehen Carbonfasern?

Die Herstellung von Carbonfasern ist ziemlich komplex und erfolgt in mehreren Schritten:

1. Aus einem Ausgangsprodukt wie Polyacrylnitril (PAN) werden dünne Fäden erzeugt.
2. Diese dünnen Fäden werden dann auf eine Spule aufgewickelt. Das Resultat hieraus wird der „PAN-Precursor“ genannt.
3. Im nächsten Schritt werden die Fäden erst bei 200 bis 300 Grad Celsius in einem Ofen oxidiert, um anschließend bei 1200 bis 1800 Grad Celsius karbonisiert zu werden.
4. Die aus Schritt drei entstandenen Carbonfäden unterlaufen nun eine Oberflächenbehandlung und anschließend der Auftragung einer Schlicht.
5. Zuletzt werden die Fäden in Carbonfasern aufgespult und stehen fortan zum Einsatz bereit.

Welche Arten von Kohlefaser gibt es?

Auch die Carbonfasern können je nach Anwendungsgebiet andere Eigenschaften besitzen. Diese Eigenschaften entstehen während des Herstellungsprozesses und hängen bereits von der Wahl und Fertigung des Precursors ab. Unterscheiden können sich die Fasern hierbei wie folgt:

• Anzahl, Durchmesser und Form der Filamente
• Festigkeit, Steifigkeit und Dehnung
• Oberflächeneigenschaften

Was sind die Eigenschaften von CFK?

Nachdem geklärt wurde, was Carbonfasern sind, können wir uns endliche die Eigenschaften der carbonfaserverstärkten Kunststoffe anschauen. Diese bieten Vorteile, ähnlich zu denen von GFK:

• Leichtes Gewicht
• Belastbar
• Widerstandsfähig
• Geringe Wärmedehnung
• Ermüdungsfestig
• Röntgentransparent

Im Endeffekt ist CFK um das Fünffache leichter als Stahl und wiegt nur um die 60 % so viel wie Aluminium und gilt somit als perfekter Ersatz bei vielen Bauteilen. Hinzu kommt, dass die Eigenschaften für jedes Bauteil durch den Herstellungsprozess gezielt für optimiert werden können.

Und die Kosten?

Das ist ja alles schön und gut, aber Sie fragen sich an dieser Stelle bestimmt: Wie viel kostet der Spaß denn nun? Leider ist diese Frage unmöglich zu beantworten, da sich Entwicklungs– und Herstellungsmethoden von Carbonfasern stark preislich unterscheiden können. Hinzu kommt auch noch, dass die Stückzahl diesen Preis dann weiter in die Höhe schießt.

CFK und GFK – ein finaler Vergleich

Jetzt, da Sie einen groben Überblick davon haben, was CFK und GFK eigentlich sind, wird es Zeit, die beiden Verbundwerkstoffe miteinander zu vergleichen. Beide Stoffe weisen einige Ähnlichkeiten in ihren allgemeinen Eigenschaften, insbesondere im Vergleich zu traditionellen Materialien wie Holz, Stahl und Aluminium auf, doch sie zeichnen sich auch durch wichtige Unterschiede aus.

Wo werden CFK und GFK denn eigentlich eingesetzt?

Eine bessere Frage wäre eher: Wo werden Sie nicht eingesetzt?

Die Einsatzmöglichkeiten von CFK und GFK sind grenzenlos – man findet die Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt, der Energiebranche, der Automobilindustrie, der Robotik, der Medizintechnik, der Chemieindustrie und noch unzähligen anderen Bereichen. Egal in welcher Branche Sie tätig sind, es gibt mit Sicherheit mindestens das ein oder andere Anwendungsgebiet für CFK und GFK, von dem Sie vielleicht gar nicht mal wissen, dass es sich um diese Verbundwerkstoffe handelt.

Die Gemeinsamkeiten

Wahrscheinlich ist die offensichtlichste Gemeinsamkeit zwischen CFK und GFK, dass es sich bei beiden Materialien um Faserverbundwerkstoffe handelt, die ebenfalls beide in eine Kunststoff-Matrix eingebettet werden. Doch welche anderen gibt es?

• Flexibilität und FormbarkeitBeide Faserverstärkte Kunststoffe haben den Vorteil, dass neue Komponente mit relativ wenig Aufwand formbar und herzustellen sind. Sobald die Form vorliegt, bestehen keine Probleme mehr, diese in Serienfertigung bringen zu können. Ebenfalls können sowohl CFK und GFK während des Herstellungsprozesses an bestimmte Anforderungen angepasst werden. Dieser Vorteil verleiht CFK und GFK wiederum andere Vorteile, die je nach Mischung ausgeprägter oder weniger ausgeprägt sein können, wie zum Beispiel:
  • Robustheit und mechanische Festigkeit
  • Chemische Beständigkeit
  • Oberflächenqualität
  • Wärmeleitfähigkeit

Schließlich kann man sagen, dass CFK und GFK fast über all die gleichen Vorteile verfügen.

GFK vs. CFK – Unterscheiden sie sich denn überhaupt?

Ja. Im Großen und Ganzen wird CFK als noch geeigneter für den Leuchtbau gesehen, da das Material deutlich leichter ist als GFK. Darüber hinaus verfügt CFK aufgrund der dünneren Fasern über eine höhere Zugfestigkeit. Man könnte also sagen, dass CFK deutlich besser ist als GFK, oder?

Nein. Es kommt eher darauf an, was Sie benötigen und welche Ressourcen Ihnen zur Verfügung stehen. Da der Herstellungsprozess von CFK erheblich aufwendiger ist als der von GFK, ist kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff demnach auch um einiges teurer. Natürlich können Sie in CFK investieren, falls Ihre Ressourcen es hergeben, doch Sie sollten sich erst darüber informieren, ob Sie CFK überhaupt brauchen, oder ob GFK genügt – eine Überlegung, die Ihnen viel Geld sparen kann.

Ein letzter Vorteil für Glasfasern in der GFK vs. CFK Debatte ist die elektrische Leitfähigkeit. Glasfaserverstärkter Kunststoff ist im Vergleich zu CFK ein elektrischer Isolator und eignet sich somit besonders in elektrischen Umfeldern mehr als CFK. Doch dieser Vorteil ist nicht nur für die Anwendungsgebiete wichtig, sondern auch für die Verarbeitung der Materialien – achten Sie darauf, dass elektrische Anlagen, Drehbänke und Fräsen zur Verarbeitung von CFK besonders isoliert sind!

Fazit – GFK vs. CFK: Ein finales Urteil

Abschließend zeichnen sich bei der Debatte GFK vs. CFK beide Materialien als beeindruckende Kombination aus Leichtigkeit und Robustheit aus. Trotz der unterschiedlichen Herstellungsprozesse verfügen CFK und GFK über ganz ähnliche Vorteile – Alterungs- und Witterungsbeständigkeit, chemische- und thermische Resistenz, Flexibilität und Schlagzähigkeit – und strahlen deshalb auch mit ihrer beachtlichen Vielseitigkeit.

Zwar verfügt CFK über Vorteile im Gewicht und in der Robustheit, jedoch ist es dafür auch wesentlich aufwendiger zu produzieren. Da CFK hierdurch teurer ist als GFK und im Gegensatz zu GFK nicht elektrisch isolierend ist, sollten Sie sich über Ihre Anforderungen und Ressourcen Gedanken machen, bevor Sie sich für ein Material entscheiden. Wir beraten Sie gerne und stehen Ihnen für jegliche Fragen, die Sie haben, gerne zur Verfügung.