Beim Vergleich von FRP-Bauteilen ist das Herstellungsverfahren wichtig, weil es die Anordnung der Verstärkung und das Lastabtragungsverhalten des fertigen Bauteils beeinflusst. Pultrusion und Formen sind zwei weit verbreitete Verfahren zur Herstellung von FRP-Komponenten, führen jedoch zu unterschiedlichen Produktformen und Verstärkungsarchitekturen. Das Verständnis dieses Unterschieds erklärt, warum ein Profil, ein Gitterrost oder eine Platte, die für ein bestimmtes Verfahren ausgelegt wurden, bei der Herstellung mit einem anderen Verfahren möglicherweise einen anderen Konstruktionsansatz erfordern.

Wie Pultrusion funktioniert

Pultrusion ist ein kontinuierliches Herstellungsverfahren, bei dem die Glasfaserverstärkung mit Harz imprägniert und anschließend durch ein beheiztes Formwerkzeug gezogen wird. Das Werkzeug bestimmt den Querschnitt, sodass ein pultrudiertes Produkt mit einem konstanten Querschnitt über seine gesamte Länge hergestellt werden kann. Das Verfahren wird häufig für lange, gerade FRP-Komponenten wie Strukturprofile, Handlaufbauteile, Leiterholme und Kabeltrassenabschnitte eingesetzt.

Die Verstärkung eines pultrudierten Profils wird im Allgemeinen von Fasern dominiert, die in Längsrichtung des Profils ausgerichtet sind, wobei die Verstärkungsarchitektur auch Matten oder Gewebe enthalten kann. Dadurch ist das mechanische Verhalten richtungsabhängig: Die Längseigenschaften werden in der Regel stärker durch die kontinuierlichen längs ausgerichteten Fasern beeinflusst als die Quereigenschaften. Bei der Konstruktion sind daher Lastrichtung, Auflagerabstand, Verbindungsdetails und lokale Merkmale wie Bohrungen oder Aussparungen zu berücksichtigen.

Wie Formen funktioniert

Beim Formen wird ein Werkzeug verwendet, das die endgültige Geometrie des FRP-Bauteils vorgibt. Unterschiedliche Formverfahren nutzen unterschiedliche Verstärkungsanordnungen und Umformbedingungen, sodass der genaue Aufbau vom jeweiligen Produkt abhängt. Die Verstärkung kann aus geschnittenen Fasern, Matten, Geweben oder Kombinationen dieser Materialien bestehen.

Bei geformten FRP-Gitterrosten ist die Verstärkung innerhalb der Gitterstruktur verteilt, anstatt hauptsächlich entlang einer einzigen durchgehenden Profilachse konzentriert zu sein. Diese Konstruktion kann ein Lastabtragungsverhalten in mehr als einer Ebene bieten und ist daher für plattenartige Produkte wie Laufstege, Plattformen und Abdeckungen geeignet, wenn der Lastpfad nicht auf ein einzelnes lineares Bauteil begrenzt ist.

Konstruktive Auswirkungen

Der wichtigste konstruktive Unterschied ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen Verstärkungsrichtung und der Art, wie das Produkt belastet wird.

Lastpfad und Spannrichtung: Pultrudierte Profile werden häufig für lineare Bauteile gewählt, bei denen der Hauptlastpfad der Profillänge folgt. Die Orientierung der Verstärkung sollte daher bei der Festlegung der Spannrichtung und der Auflagerbedingungen berücksichtigt werden.

Verhalten von Platten und Gitterrosten: Geformte Gitterroste verwenden eine Gitterstruktur mit einer über die Platte verteilten Verstärkung. Dadurch kann sich das Lastabtragungsverhalten über mehr als eine Richtung in der Ebene erstrecken, abhängig von Aufbau, Geometrie und Auflagerung des Gitterrosts.

Geometrie: Die Pultrusion basiert auf einem Formwerkzeug und eignet sich gut für Produkte mit konstantem Querschnitt. Beim Formen wird ein Werkzeug verwendet, das an die erforderliche Bauteilgeometrie angepasst ist. Dadurch eignet sich dieses Verfahren für Platten, Abdeckungen und Formen, die eine andere Geometrie als ein kontinuierliches Profil mit konstantem Querschnitt benötigen.

Verbindungen und lokale Details: Bohrungen, Aussparungen, Befestigungselemente und konzentrierte Lasten können die lokale Spannungsverteilung in einem FRP-Bauteil verändern. Bei einem pultrudierten Profil sollten diese Details zusammen mit der überwiegend längs ausgerichteten Verstärkungsarchitektur betrachtet werden. Bei geformten Produkten hängt die Wirkung eines lokalen Details von der Verstärkungsanordnung und der Geometrie des geformten Bauteils ab.

Werkzeuge und Produktionsaspekte: Beide Verfahren verwenden auch unterschiedliche Werkzeugkonzepte. Bei der Pultrusion wird ein Formwerkzeug für ein kontinuierliches Profil eingesetzt, während beim Formen ein Werkzeug verwendet wird, das auf die erforderliche Bauteilgeometrie abgestimmt ist. Für ein konkretes Projekt können daher die gewünschte Form, das Produktionsvolumen und das Herstellungsverfahren Teil der Verfahrensauswahl sein.

Wie lassen sich die beiden Verfahren vergleichen?

Der praktische Vergleich besteht nicht einfach darin, „pultrudiert“ und „geformt“ gegenüberzustellen. Konstrukteure sollten die Verstärkungsarchitektur, die Produktgeometrie, die Lastrichtung, die Auflagerbedingungen, die Verbindungsdetails und die für die Fertigung erforderliche Form gemeinsam betrachten.

Für ein langes, gerades Bauteil mit einem überwiegend longitudinalen Lastpfad ist Pultrusion häufig ein praktischer Fertigungsweg. Für eine Platte, einen Gitterrost, eine Abdeckung oder eine andere Geometrie mit Verstärkung in mehreren Richtungen kann Formen ein geeigneter Ansatz sein. Einige FRP-Systeme kombinieren beide Verfahren, beispielsweise pultrudierte Strukturelemente mit geformten Gitterrostplatten.

Das Verständnis des Herstellungsverfahrens ist ein guter Ausgangspunkt für den Vergleich von FRP-Alternativen. Das Verfahren bestimmt, wie die Verstärkung angeordnet wird, und diese Verstärkungsarchitektur beeinflusst das richtungsabhängige Verhalten des fertigen Bauteils. Anschließend sollte die Konstruktion an die erforderliche Geometrie, den Lastpfad, die Auflager und die Verbindungsdetails angepasst werden.