Im Faserverbund nehmen die Fasern die Zugkräfte auf, die Matrix überträgt die Last zwischen ihnen und stützt jede einzelne Faser gegen seitliches Ausknicken. Welche Faser und welches Halbzeug – die textile Form, in der die Faser geliefert wird – zum Einsatz kommt, entscheidet über Festigkeit, Gewicht und Kosten oft stärker als die Harzwahl.
Faserkennwerte sind keine Laminatkennwerte
Der häufigste Fehler beim Lesen von Datenblättern: Die rund 3.400 MPa Zugfestigkeit einer E-Glas-Einzelfaser sind kein Bauteilwert. In einem bidirektionalen Gewebelaminat – Kette und Schuss gleich stark besetzt – liegt in jeder Richtung nur etwa die Hälfte der Fasern, die Ondulation (die Welligkeit der Bündel an den Kreuzungspunkten) verschenkt weitere Leistung, und der Harzanteil trägt in Faserrichtung praktisch nichts bei. Die Werkstoffdatensammlung des Schweizer Fachhändlers Suter Kunststoffe beziffert das für Gewebelaminate mit Epoxidharz so:
| Faser | Zugfestigkeit der Faser | Laminat bidirektional | Laminat unidirektional | Druckfestigkeit bidirektional |
|---|---|---|---|---|
| E-Glas (43 Vol.-%) | rund 3.400 MPa | 330–400 MPa | 590–680 MPa | 310–440 MPa |
| Carbon (50 Vol.-%) | 3.500–4.900 MPa | 560–650 MPa | 950–1.100 MPa | 450–520 MPa |
| Aramid (50 Vol.-%) | 2.800–3.600 MPa | 460–540 MPa | 790–900 MPa | 130–165 MPa |
Beim Elastizitätsmodul ist der Abstand noch größer: Aus 73 GPa der Glasfaser werden im bidirektionalen Gewebelaminat 19 bis 21 GPa, aus 235 GPa der Carbonfaser 52 bis 58 GPa. Aufschlussreich ist die Aramidzeile: Einer Zugfestigkeit von 460 bis 540 MPa steht eine Druckfestigkeit von nur 130 bis 165 MPa gegenüber – die Druckschwäche der Aramidfaser wird hier zur Zahl und erklärt, warum Aramid fast nur im Hybrid mit Glas oder Carbon verbaut wird. Ein Kennwert ist erst dann vergleichbar, wenn drei Angaben mitgeliefert werden: Faser oder Laminat, Faservolumengehalt und Lagenaufbau.
Die Fasertypen und ihre Kennwerte
| Faser | Dichte | Zugfestigkeit | E-Modul | Charakter und Grenze |
|---|---|---|---|---|
| E-Glas | 2,55–2,6 g/cm³ | rund 3.400 MPa | rund 73 GPa | Bruchdehnung 3,5–4 %, isolierend, günstigster Allrounder |
| S-/R-Glas (S2) | 2,46–2,55 g/cm³ | 4.400–4.900 MPa | 86–90 GPa | rund 30–45 % fester als E-Glas, Preis ein Mehrfaches |
| ECR-Glas | rund 2,6 g/cm³ | etwa wie E-Glas | etwa wie E-Glas | borfrei, deutlich säure- und korrosionsbeständiger |
| Carbon HT (T300/T700) | 1,76–1,80 g/cm³ | 3.500–4.900 MPa | 230–240 GPa | Bruchdehnung nur 1,5–2,1 %, spröde, leitfähig |
| Carbon HM (M60J) | rund 1,94 g/cm³ | 3.820 MPa laut Toray | bis 588 GPa | steifer, aber nicht fester – Hochmodul heißt nicht hochfest |
| Aramid | 1,44–1,45 g/cm³ | 2.800–3.600 MPa | 60–130 GPa | schlagzäh, druckschwach, hygroskopisch, UV-empfindlich |
| Basalt | 2,6–2,8 g/cm³ | 3.000–4.800 MPa | 90–110 GPa | dauerhaft bis rund 600 °C, Nischenmaterial |
| Naturfaser (Flachs) | 1,4–1,5 g/cm³ | 500–1.500 MPa, streuend | 30–70 GPa | Zersetzung ab rund 200 °C, dämpfend, hygroskopisch |
| UHMWPE (Dyneema) | rund 0,97 g/cm³ | 3.000–4.000 MPa | rund 90–130 GPa je nach Type | leichter als Wasser, begrenzte Harzhaftung und Wärmestandfestigkeit |
Verbindlich ist immer das Datenblatt der konkreten Ware. Die Kürzel auf Carbon-Datenblättern – T300, T700, T800 – bezeichnen Festigkeitsklassen eines historisch gewachsenen Herstellersystems; im freien Handel dominiert Standardmodul-Ware der T300- und T700-Klasse, alles darüber geht überwiegend als Prepreg an die Luft- und Raumfahrt (Carbonfaser-Festigkeitsklassen). Für den Formenbau ist die Preisrelation entscheidender als der Spitzenwert.
Glassorten: was der Kennbuchstabe bedeutet
„Glasfaser“ ist kein einheitlicher Werkstoff, sondern eine Familie unterschiedlich ausgelegter Schmelzrezepturen. E steht für electrical, also die ursprünglich gesuchte elektrische Isolation; chemisch ist E-Glas ein alkaliarmes Alumo-Borsilikatglas und deckt rund 90 Prozent des Marktes ab. ECR heißt E-glass Corrosion Resistant: dieselbe Basis, borfrei formuliert und dadurch säurefester. C steht für chemical und begegnet fast nur als dünnes Oberflächenvlies. AR bedeutet alkali-resistant – mit Zirkoniumdioxid angereichert und deshalb im stark alkalischen Milieu von Zement dauerhaft, weshalb es die Bewehrung in Textil- und Glasfaserbeton stellt. S steht für strength; beim europäischen Gegenstück R-Glas ist die Herleitung des Buchstabens normativ nicht festgelegt, ISO 2078 führt ihn nur als Kennbuchstaben.
Praktisch relevant ist eine andere Grenze: E-Glas ist etwa im Bereich pH 3 bis 9 gut beständig, starke Säuren verspröden es, starke Laugen tragen die Oberfläche ab. Wer chemisch belastete Behälter oder zementgebundene Bauteile plant, wechselt deshalb die Glassorte und nicht nur das Harz – die Abwägung führt der Glassorten-Vergleich.
Die Schlichte: die unsichtbare Schicht an der Grenzfläche
Zwischen Glas und Harz liegt eine Beschichtung, die auf keinem Foto zu sehen ist und trotzdem über die Laminatqualität mitentscheidet: die Schlichte (englisch sizing), aufgetragen bereits beim Ziehen der Faser und meist unter einem bis wenige Prozent der Fasermasse. Drei Ausführungen sind zu unterscheiden. Die Textilschlichte aus Stärke und Ölen schützt das Garn beim Weben, wirkt der Harzhaftung aber ausdrücklich entgegen. Die Silanschlichte enthält bereits einen Haftvermittler. Gefinishte Gewebe tragen eine modifizierte Silanschlichte, die auf eine Harzfamilie abgestimmt ist – R&G führt für luftfahrtzugelassene Gewebe etwa FK800 auf Aminosilan-Basis mit festem Griff und FK144 auf Chrom-III-Basis mit weichem Griff.
Die Wirkung ist chemisch erklärbar: Organofunktionelle Silane haben zwei Enden, eines bindet an die Glasoberfläche, das andere an das Harz. Davon hängen die interlaminare Scherfestigkeit und vor allem das Verhalten nach Feuchteeinwirkung ab. Eine unpassende Schlichte fällt am frisch laminierten Bauteil kaum auf; sie zeigt sich erst, wenn die Grenzfläche unter Feuchte und Dauerlast altert. Die Datenblattangabe, für welche Harzfamilie ein Textil ausgerüstet ist, ist deshalb keine Empfehlung, sondern eine Bedingung.
Textile Halbzeuge von der Wirrfasermatte bis zum Gelege
- Roving: der gebündelte Endlosfaserstrang ohne Drehung, Grundform fast aller Textilien. Die Feinheit steht in tex (Gramm je 1.000 Meter), bei Glas üblich rund 300 bis 4.800 tex; bei Carbon zählt man Filamente in K, also Tausend. Direktrovings bleiben beim Verarbeiten zusammen und werden gewebt, geflochten, gelegt oder gewickelt, assemblierte Rovings fächern absichtlich auf und gehen ins Faserspritzen.
- Wirrfasermatte (CSM, Chopped Strand Mat): rund 25 bis 50 mm lange, wirr abgelegte Schnittfasern, von einem Binder zusammengehalten. Richtungsunabhängig, füllt Unebenheiten, baut zügig Wandstärke auf – bei niedrigstem Faseranteil. Der übliche Emulsionsbinder ist styrollöslich und wird nur von Polyester und Vinylester angelöst; in Epoxid bleibt er intakt und die Matte tränkt nicht durch. Dafür braucht es ausdrücklich pulvergebundene Ware.
- Rovinggewebe (Woven Roving): dicke Rovingbündel rechtwinklig verwoben, gängig 300 bis 800 g/m². Der klassische Festigkeitsträger im Handlaminat, grob und schnell im Aufbau.
- Filamentgewebe: aus feineren Garnen gewebt, im Handel ab rund 25 g/m². Für dünne, glatte Laminate und Sichtflächen; im Formenbau ist Köpergewebe um 200 g/m² – in Glas wie in Carbon – der verbreitete Standard.
- Gelege (Non-Crimp Fabric): gestreckte Faserlagen, nur von einem dünnen Polyester-Nähfaden fixiert, praktisch ohne Ondulation. Als Multiaxialgelege biaxial (0/90 oder ±45 Grad), triaxial oder quadraxial, mit Flächengewichten von rund 150 bis über 1.200 g/m². Die offenen Bündel tränken schnell – deshalb sind Gelege die Verstärkung der Wahl für Infusion und RTM.
- UD-Gelege: alle Fasern in 0 Grad. Nutzt die Faserleistung am vollständigsten aus – auf Zug am deutlichsten; unter Druck bleibt der Gewinn kleiner, weil dort die Stützung durch die Matrix und nicht die Fasersteifigkeit die Grenze setzt. Und das alles nur in dieser einen Richtung; quer dazu trägt allein die Matrix.
- Vlies: ungeordnete, verfestigte Fasern ohne tragende Funktion. Als Oberflächenvlies aus C- oder E-Glas mit rund 20 bis 50 g/m² erzeugt es hinter dem Gelcoat eine harzreiche Schicht von etwa 0,2 bis 0,3 mm und hält die grobe Faserstruktur auf Abstand – der klassische Gegenspieler des Print-Through, neben ausreichender Gelcoat-Dicke und kühler, nicht zu dicker Laminierung.
Innerhalb der Gewebe steuert die Bindung das Verhalten: Leinwand (1/1) kreuzt am engsten, liegt schiebefest, drapiert aber schlecht; Köper 2/2 ist der verbreitete Kompromiss; Atlas mit seinen langen Flottungen schmiegt sich am besten an, verzieht sich dafür beim Handling. Die Bindungen im Detail behandelt der Bindungsvergleich, die Gegenüberstellung von Matte, Gewebe und Gelege der Halbzeugvergleich.
Flächengewicht, Lagendicke und Faservolumengehalt
Wie dick eine Lage wird, lässt sich rechnen statt schätzen. Die Dicke d in Millimetern folgt aus dem Flächengewicht q in Gramm je Quadratmeter, der Faserdichte ρ in Gramm je Kubikzentimeter und dem Faservolumengehalt φ: d = q / (ρ · φ · 1.000). Ein 600-g/m²-Glasgewebe ergibt bei 35 Volumenprozent Faseranteil rund 0,67 mm, unter Vakuum bei 55 Prozent nur noch 0,43 mm. Dieselbe Rechnung beantwortet die Harzfrage mit, denn was im Volumen nicht Faser ist, ist Harz.
| Halbzeug und Verfahren | Flächengewicht | Faservolumengehalt | Dicke je Lage | Harzbedarf je m² |
|---|---|---|---|---|
| Wirrfasermatte, Handlaminat | 450 g/m² | 15–20 % | 0,9–1,2 mm | 900–1.100 g (2- bis 2,5-faches Mattengewicht) |
| Rovinggewebe, Handlaminat | 600 g/m² | 30–40 % | 0,6–0,8 mm | rund 500 g (grob 1:1 zum Gewebe) |
| Filamentgewebe Köper, Handlaminat | 300 g/m² | 30–40 % | 0,3–0,4 mm | rund 250 g |
| Biaxialgelege, Infusion | 600 g/m² | 50–55 % | 0,43–0,47 mm | 230–280 g |
| Carbonköper, Vakuum (Dichte 1,8 g/cm³) | 200 g/m² | 50 % | rund 0,22 mm | rund 130 g |
Die vorletzte Zeile zeigt den eigentlichen Hebel: Dasselbe Fasergewicht braucht im geschlossenen Verfahren nur etwa halb so viel Harz wie im Handlaminat – und ergibt dabei eine dünnere Lage. Überschüssiges Harz ist totes Gewicht, das die Festigkeit nicht erhöht, aber Schwindung und Verzug vergrößert. Wie hoch der Faservolumengehalt ausfällt, bestimmt dabei weniger das Textil als das Verfahren.
| Verfahren | Faserform | Faservolumengehalt |
|---|---|---|
| Handlaminat | Wirrfasermatte (CSM) | 15–20 % |
| Handlaminat | Matte und Rovinggewebe gemischt | 25–35 % |
| Handlaminat | Gewebe oder Gelege | 30–40 % (typisch um 35 %) |
| Handlaminat unter Vakuumsack | Gewebe oder Gelege | 40–45 % |
| Vakuuminfusion | Gelege, Gewebe | 50–60 % |
| RTM | Preform aus Gelege | 45–60 % |
| Prepreg im Autoklav | Prepreg | 55–65 % |
| Faserwickeln | Roving | bis 70 % |
Weil Glas mit rund 2,55 g/cm³ etwa doppelt so dicht ist wie die ausgehärtete Matrix mit rund 1,2 g/cm³, sehen Gewichtsprozente immer freundlicher aus: 40 Volumenprozent entsprechen bei GFK rund 59 Gewichtsprozent. Vor jedem Vergleich also die Bezugsgröße prüfen – und für Carbon neu rechnen, dessen Dichte bei rund 1,8 g/cm³ liegt.
Drapierbarkeit und Ondulation: zwei gegenläufige Eigenschaften
Zwei Eigenschaften begrenzen, was aus einem Textil herauszuholen ist, und sie ziehen in entgegengesetzte Richtungen. Die Ondulation kostet Leistung: An jedem Kreuzungspunkt wird ein Bündel umgelenkt, muss sich unter Zug erst geradeziehen und lagert dort zusätzlich Harz ein. Genau die Bindungen mit wenig Ondulation sind aber die schiebeweichen, die beim Einlegen davonlaufen. Die Drapierbarkeit wiederum entsteht nicht durch Dehnen, sondern durch Scheren: Kette und Schuss verschieben sich wie ein Scherengitter gegeneinander, bis der Blockierwinkel erreicht ist. Darüber wirft das Gewebe Falten oder spannt sich über eine Innenecke (Bridging), und der Hohlraum darunter zeichnet sich durch jede Folgelage ab. Ein 45-Grad-Zuschnitt schert williger als ein 0/90-Zuschnitt; wo es trotzdem blockiert, hilft nur ein keilförmiger Abnäher, niemals Zug an einer Ecke – Schritt für Schritt in der Anleitung Gewebe zuschneiden und drapieren.
Hilfstextilien rund um die Verstärkung
Bei Vakuumverfahren liegt um die eigentliche Verstärkung ein zweites, nicht tragendes Textilpaket, das nach dem Aushärten wieder abgezogen wird: Abreißgewebe (Peel Ply) für eine definierte, ohne Schleifen klebfähige Oberfläche, Lochfolie zur dosierten Harzabfuhr, Fließhilfe für die Harzverteilung bei der Infusion, Saugvlies für den Überschuss sowie Vakuumfolie und Dichtband. Diese Materialien entscheiden über Faseranteil und Oberfläche mit: Ein saugstarkes Vlies ohne trennende Lochfolie zieht so viel Harz aus dem Aufbau, dass das Laminat stellenweise trocken bleibt. Die Auswahl behandelt das Dossier Trennmittel, Vakuumfolien und Hilfsstoffe.