Die Form ist die teuerste und langlebigste Investition im GFK-Formenbau. Welches Material das richtige ist, lässt sich nicht pauschal sagen – es ist immer eine Abwägung aus Stückzahl, Prozesstemperatur, geforderter Genauigkeit, Gewicht und Kosten. Ein entscheidender Faktor zieht sich durch alle Optionen: der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE). Je näher er an dem des späteren Bauteils liegt, desto maßhaltiger bleibt das Teil beim Aushärten unter Temperatur. Wie viel das konkret ausmacht, lässt sich ausrechnen.
Die Zahl hinter der Abkürzung
Wie groß der Unterschied ausfällt, zeigt eine einfache Rechnung. Ein Werkzeug von zwei Metern Länge wird von 20 auf 180 °C aufgeheizt, wie es ein Autoklavzyklus verlangt. Eine Form aus der Aluminiumlegierung EN AW-5083 wird dabei acht Millimeter länger – das Datenblatt nennt für den Bereich 20 bis 200 °C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 25,0 · 10⁻⁶ pro Kelvin. Werkzeugstahl 1.2311 kommt mit 12,7 auf gut vier Millimeter. Invar bleibt mit 1,6 bis 3,6 bei einem halben bis gut einem Millimeter. Zwischen Aluminium- und Invar-Form liegen also rund sieben Millimeter auf zwei Meter – bei Bauteilen, deren Toleranz oft in Zehntelmillimetern angegeben wird.
Zwei Einschränkungen gehören zu dieser Rechnung. Sie ist unsere eigene, aufgestellt aus den Datenblattwerten der Hersteller, und sie beschreibt die freie Dehnung des Werkzeugs – nicht die Maßabweichung des fertigen Bauteils. Das Laminat schwindet beim Aushärten selbst, und beide Effekte überlagern sich; wie, ordnet Schwund und Maßhaltigkeit ein. Trotzdem erklärt die Größenordnung, warum in der Luftfahrt trotz Preis und Gewicht an Invar kaum ein Weg vorbeiführt.
Die wichtigsten Optionen
- Epoxid-Werkzeugplatte (Tooling Board): hervorragende Oberfläche und Maßstabilität, niedriger CTE, hohe Glasübergangstemperatur – ideal für Urmodelle und kleinere Serien, schnell und günstig zu zerspanen.
- GFK-/Composite-Form (Epoxid, BMI, Carbon – BMI steht für Bismaleimid, ein besonders hochtemperaturbeständiges Duroplast): leicht und an den CTE des Bauteils anpassbar; CNC-bearbeitbare BMI/Carbon-Werkzeuge erreichen rund ein Fünftel der Dichte eines Invar-Pendants – aber meist weniger robust als Metall.
- Aluminium: günstig, sehr gut zerspanbar, leitet Wärme gut – Nachteil: deutlich höherer CTE als Composite, daher Maßabweichungen bei großen, heißen Teilen.
- Stahl: robust und langlebig für hohe Stückzahlen, ebenfalls hoher CTE und schwer.
- Invar (Eisen-Nickel-Legierung): passt seinen CTE bis etwa 200 °C an Composite an – erste Wahl für engste Toleranzen und Autoklav-Aerospace. Teuer, schwer und sperrig, hält dafür über die Lebensdauer von Flugzeugbauteilen hinaus.
| Werkstoff | Wärmeausdehnung (10⁻⁶/K) | Temperaturgrenze | Dichte (g/cm³) |
|---|---|---|---|
| PU-Werkzeug- und Modellplatte | 43 bis 85 | 70 bis 100 °C (Wärmeformbeständigkeit) | 0,60 bis 1,40 |
| Epoxid-Werkzeugplatte | 29 bis 45 | 100 bis über 150 °C (Wärmeformbeständigkeit) | 0,66 bis 0,90 |
| Composite-Werkzeug, Epoxid-Prepreg | 5 in der Ebene | 185 °C | 1,57 |
| Composite-Werkzeug, BMI-Prepreg | 4 in der Ebene, 47 in Dickenrichtung | 218 °C | 1,55 |
| Aluminium EN AW-5083 | 24,2 (20–100 °C), 25,0 (20–200 °C) | 120 °C dauerhaft, 180 °C kurzzeitig | 2,66 |
| Aluminium EN AW-7075 | 23,4 (20–100 °C), 24,3 (20–200 °C) | 90 °C dauerhaft, 120 °C kurzzeitig | 2,80 |
| Werkzeugstahl 1.2311 | 12,1 (20–100 °C), 12,7 (20–200 °C) | keine Datenblattangabe | keine Datenblattangabe |
| Baustahl S355 (Hinterbau) | 11,5 (20–100 °C), 12,1 (20–200 °C) | keine Datenblattangabe | 7,85 |
| Invar (VDM Alloy 36) | 0,6–2,1 (20–100 °C), 1,6–3,6 (20–200 °C) | Invar-Effekt bis zum Curie-Punkt 230 °C | 8,1 |
Werkzeugplatten: nebeneinandergestellt, aber nicht vergleichbar
Bei den Werkzeugplatten – im Handel meist Tooling Board genannt – liefern die Datenblätter ein klares Bild und eine unangenehme Einschränkung. Das Bild zuerst: Epoxid-Platten liegen bei 29 bis 45, Polyurethan-Platten bei 43 bis 85 · 10⁻⁶ pro Kelvin, und dieselbe Reihenfolge gilt für die Temperatur. RAMPFs RAKU-TOOL WB-0700 ist bis 130 bis 140 °C wärmeformbeständig, ebaltas ebaboard EP 139 EF über 150 °C; die Polyurethan-Platten derselben Hersteller enden zwischen 70 und 100 °C. Wer eine Form für einen Warmhärteprozess baut, hat damit keine echte Wahl.
Die Einschränkung: Ein Ausdehnungskoeffizient ohne Temperaturbereich ist streng genommen kein Kennwert, weil derselbe Werkstoff zwischen 20 und 50 °C anders reagiert als zwischen 20 und 200 °C. Von den geprüften Herstellern nennen nur ebalta (20 bis 50 °C) und das inzwischen eingestellte obomodulan-Programm (25 bis 70 °C) den Bereich überhaupt; Sika, RAMPF und NECUMER geben je eine einzelne Zahl. Auch die Wärmeformbeständigkeit steht nicht auf gleicher Grundlage: Sika und ebalta prüfen nach ISO 75 Methode B mit 0,45 MPa, RAMPF und NECUMER nennen nur „ISO 75“ ohne Methode. Die Zahlen taugen deshalb zur Einordnung einer Werkstoffklasse – nicht dazu, zwei Produkte gegeneinander auszuspielen.
Ein Blick lohnt auf die hochgefüllten Polyurethan-Platten. SikaBlock M1700 drückt seinen Ausdehnungskoeffizienten mit 45 bis in den Bereich der Epoxid-Platten; die Wärmeformbeständigkeit bleibt mit 75 °C trotzdem PU-typisch niedrig. Füllstoff senkt also die Dehnung, nicht die Temperaturgrenze. Wer nur auf den Ausdehnungskoeffizienten schaut, greift hier daneben.
Aluminium: die festere Platte ist die schlechtere Form
Bei Aluminium führt die naheliegende Wahl in die Irre. EN AW-7075 ist die bekanntere, deutlich festere Legierung – und im Formenbau meist die falsche. Der Plattenhersteller GLEICH gibt für die 7075-Walzplatte eine Einsatzgrenze von 90 °C im Dauerbetrieb und 120 °C kurzzeitig an, für die weichere 5083-Platte dagegen 120 beziehungsweise 180 °C. Wer bei 80 bis 120 °C aushärtet, ist mit der schwächeren Legierung besser bedient.
Dazu kommt eine Größe, die in keinem Werkstoffvergleich auftaucht und trotzdem über die Form entscheidet: die Eigenspannung in der Platte. GLEICH bewertet die Formstabilität seiner Walzplatten auf einer Skala von 1 (sehr gut) bis 6 (ungeeignet). EN AW-7075 steht dort bei 5 bis 6, EN AW-5083 bei 3 bis 4, die Sonderplatte Certal bei 2 bis 3. Eine hochfeste Platte, die sich beim Ausspannen verzieht, nützt der Maßhaltigkeit nichts.
Der eigentliche Vorteil von Aluminium liegt ohnehin woanders. Mit 110 bis 165 W/(m·K) leitet es die Wärme rund vier- bis fünfmal so gut wie Werkzeugstahl (34,5) und mehr als zehnmal so gut wie Invar (12,8). Die Form wird schneller warm und schneller wieder kalt – das ist der Zeitgewinn je Zyklus, nicht die Festigkeit. Und sie entsteht schneller: GLEICH beziffert die spanende Bearbeitungszeit auf rund ein Drittel gegenüber Stahl.
Composite-Werkzeuge: der Wert gilt nur in einer Richtung
Eine Form aus Faserverbund kann dem Bauteil im Ausdehnungsverhalten so nahe kommen wie kein anderer Werkstoff – aber nur in der Ebene. Hexcel nennt für sein quasiisotropes Epoxid-Werkzeugsystem 5, für das BMI-System 4 · 10⁻⁶ pro Kelvin in der Ebene. Im Anwenderhandbuch steht für dasselbe BMI-Laminat der Wert quer dazu, in Dickenrichtung: 47. Das ist rund das Zwölffache. Wer über die Wandstärke einer Form rechnet, rechnet mit der falschen Zahl. Einen Temperaturbereich nennen auch diese Datenblätter nicht. Klar getrennt sind dagegen die Temperaturgrenzen: 185 °C beim Epoxid-, 218 °C beim BMI-Werkzeug.
Der Gewichtsvorteil ist real, wird aber gern zu groß gerechnet. Hexcel gibt für seine Werkzeugsysteme eine Dichte von 1,55 und 1,57 an – aufgeführt unter den Eigenschaften des unausgehärteten Materials – gegenüber 8,1 für Invar. Das ist rund ein Fünftel. Am fertigen Werkzeug bleibt davon weniger übrig: Hexcel selbst nennt rund 50 Prozent Gewichtsersparnis gegenüber vergleichbaren Metallwerkzeugen, denn ein Composite-Werkzeug braucht dickere Wände und eine eigene Stützkonstruktion. Zwischen dem Dichteverhältnis und der Gewichtsersparnis am Werkzeug liegt also ein Faktor zweieinhalb.
Invar: wo der Effekt aufhört
Invar verdankt seinen Namen der Invarianz – einer Legierung aus rund 36 Prozent Nickel und Eisen, deren Ausdehnung über einen weiten Temperaturbereich fast verschwindet. VDM Metals gibt für VDM Alloy 36 zwischen 20 und 100 °C einen mittleren Koeffizienten von 0,6 bis 2,1 an, bis 200 °C von 1,6 bis 3,6. Im gesamten Autoklavbereich ist der Werkstoff damit rund eine Größenordnung dehnungsärmer als Aluminium.
Entscheidend ist, wo der Effekt endet. Die Curie-Temperatur der Legierung liegt bei 230 °C; oberhalb davon wird die Matrix paramagnetisch, und der Invar-Effekt entfällt. Im Datenblatt lässt sich das direkt ablesen: bis 300 °C steigt der Koeffizient auf 4,4 bis 5,5, bis 400 °C auf 7,4 bis 8,4 und bis 600 °C auf 10 bis 10,7 – dann verhält sich Invar wie gewöhnlicher Stahl. VDM nennt den nutzbaren Bereich ausdrücklich mit −250 bis +200 °C und führt Formen für CFK-Bauteile als Anwendung auf. Für Prozesse oberhalb von 200 °C ist Invar kein Argument mehr.
Was der Werkstoff kostet, steht ebenfalls im Datenblatt. Der Nickelgehalt von 35 bis 37 Prozent ist der Rohstoff-Kostentreiber; mit 8,1 g/cm³ ist Invar rund dreimal so schwer wie Aluminium, und mit 12,8 W/(m·K) leitet es die Wärme schlechter als jeder andere hier verglichene Werkstoff – die Form braucht länger zum Aufheizen und länger zum Abkühlen. Die Verarbeitbarkeit beschreibt VDM dagegen als mit der austenitischer Edelstähle vergleichbar.
Welche Form für welches Projekt?
Als Faustregel: Für Prototypen, Urmodelle und Kleinserien sind Tooling Board und Composite-Formen meist die wirtschaftlichste Wahl. Für hohe Stückzahlen bei moderater Temperatur können Aluminium oder Stahl punkten. Wo es auf höchste Maßhaltigkeit unter Hitze ankommt – etwa bei Autoklav-Bauteilen in der Luftfahrt – führt an Invar kaum ein Weg vorbei, trotz Preis und Gewicht. Hybridansätze versuchen, das Beste zu verbinden: Anbieter wie Ascent Aerospace koppeln Invar-Genauigkeit mit der Leichtigkeit von Composite-Strukturen.
Standzeit und Kosten: was sich belegen lässt und was nicht
Wie viele Bauteile eine Form aushält, wird in der Branche viel beziffert und selten belegt. Belastbar sind wenige Angaben. Hexcel legt sein BMI-Werkzeugprepreg auf mehr als 500 Aushärtezyklen bei 180 °C aus, das Epoxid-System auf mehr als 100 Zyklen bei 120 °C – beides sind offene Untergrenzen bei unterschiedlicher Prozesstemperatur und deshalb nicht gegeneinander zu verrechnen. R&G nennt für die klassische GFK-Handlaminatform „wenigstens einige hundert Teile in jeder Größe“. Für Metallwerkzeuge ist in der Fachliteratur von vielen tausend Zyklen die Rede, ohne dass eine Quelle das nach Werkstoff aufschlüsselt.
Für Invar, Stahl, Aluminium und Werkzeugplatten ließ sich in dieser Recherche keine Zyklenzahl mit nachvollziehbarer Bedingung finden – die kursierenden Zahlen führen durchweg auf Quellen ohne Beleg zurück. Wer plant, fragt deshalb besser nicht nach der Gesamtstandzeit, sondern nach dem Nacharbeitsintervall: Wann muss die Formfläche wieder aufgearbeitet werden, und was kostet das? Bei den Kosten ist die Lage dieselbe. Absolute Preise und saubere Kostenfaktoren zwischen den Werkstoffen sind öffentlich nicht belegbar. Belegt ist der Zeithebel beim Zerspanen – und beim Invar sitzt der Kostentreiber im Nickel, nicht in der Bearbeitung.