FVW contra Metalle - Eine Chemie-Vorlesung am Kalkuhl
Einen Chemie-Unterricht der ganz besonderen Art erfuhr der Chemie-Grundkurs der Stufe 13 am 10.01.07.
Auf Einladung unserer Chemie-Lehrerin, Frau Fingerhuth-Spindler, besuchte uns Prof. Dr.-Ing. habil. H. Nowack, ehemaliger Professor für Maschinenbau und Werkstofftechnik an der Universität Duisburg.
Passend zum Thema der 13.1 „Kunststoffe“ referierte Professor Nowack über die Herstellung und Verwendung der Faserverbundwerkstoffe (FVW), die besonders in der Luft- und Raumfahrt unentbehrlich geworden sind.
Wohl wissend, dass der Theorieteil sehr langwierig und umfangreich sein würde, begann Professor Nowack zunächst damit, die Verwendungszwecke der FVW am Beispiel der Luftfahrt zu erläutern. Zum einen weckte er so auch das Interesse des letzten skeptischen Schülers und zum anderen wurde bekannt, dass Professor Nowack im Forschungszentrum der DLR tätig war und Flugzeuge wohl eine Passion von ihm darstellen.
So stellte er zunächst den Dreamliner 787, der „leider von Boeing statt von Airbus gebaut wurde“, vor, der sich die neue Technik der Faserverbundwerkstoffe zur Nutze macht.
Während die Flugzeuge früher aus etwa 70% Aluminium bestanden, wird das Aluminium heutzutage fast ausnahmslos durch Faserverbundwerkstoffe ersetzt. Der Grund liegt in der absoluten Überlegenheit der Kohlenstoff-Fasern gegenüber herkömmlichen Metallen wie Aluminium. Obwohl der Anschaffungspreis für Faserverbundwerkstoffe deutlich höher liegt als bei Aluminium, sind die FVW auf lange Sicht hin rentabler, da Flugzeuge aus FVW deutlich leichter und somit sparsamer im Verbrauch von Sprit sind. So können die Mehrkosten innerhalb von 10 Jahren ausgeglichen werden.
Im Folgenden ging Professor Nowack zur Theorie über. Die Methode seines Vortrags erinnerte uns an eine Universitätsvorlesung. So erklärte er sehr detailliert, dass die FVW aus extrem dünnen und flexiblen Fasern von wenigen Milimetern Dicke und einer umgebenden Matrix bestehen. FVW werden aus zwei Werkstoffen zusammengesetzt. Während die Matrix als Schutz und Stütze der Fasern fungiert, sind die Fasern für die Zugbelastung zuständig. Kennzeichnend sind die höherwertigen Werkstoffeigenschaften, die kein Metall erreichen kann, was mit der Zeit auch die so genannten „Metallköpfe“ einsehen mussten: Ingenieure, die die FVW anfangs ungeeignet fanden, da sie sich in dieser Materie nicht genug auskannten. Heute wächst der Anwendungsbereich der FVW täglich und verdrängt Metalle und Kunststoffe.
Auf hohem Niveau, das sich wohl kaum von einer Vorlesung in Chemie an der Universität unterschied, ging es auch weiter, als Professor Nowack auf die Herstellung von FVW zu sprechen kam. Die FVW werden zumeist im Handlaminierungsverfahren hergestellt.
Ehrlicherweise gestand Professor Nowack ein, dass die FVW nicht fehlerfrei sind, denn optimalerweise sollten die Fasern in die Richtung gelegt sein, in die die Kraft wirkt. Doch in der Realität liegen die Fasern nie exakt parallel. So können bei größeren Schwankungen Lücken entstehen, in die das Matrixmaterial fließt, mit der Folge, dass der Werkstoff schwerer wird und eine ausreichende Festigkeit nicht mehr gewährleistet werden kann.
Trotz aller Schwierigkeiten führt in der Zukunft kein Weg an den FVW vorbei. Denn auf den Leichtbauaspekt kann und möchte man nicht verzichten, da es auf Dauer rentabler ist als Metalle. Für die meisten Probleme wurden zudem bereits Lösungen entwickelt.
Seine Leidenschaft für die Luftfahrt wurde gegen Ende des Vortrags abermals deutlich. Anhand einiger Bilder zur Herstellung verschiedener Airbustypen, zeigte er uns wie das vorher erworbene theoretische Wissen in der Praxis beim Flugzeugbau angewendet wird. Insgesamt war die „Vorlesung“ sehr informativ und Professor Nowacks Ziel, alle Anwesenden von den Vorteilen der Faserverbundwerkstoffe zu überzeugen, um zu verhindern, dass wir „Metallköpfe“ werden, hat er wohl erreicht.
Nikolas Heel
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