Verbundmaterialien bestehen aus zwei oder mehr Werkstoffen, die im fertigen Material getrennt erkennbar bleiben und sich nicht ineinander lösen. Mindestens einer bildet die durchgehende Matrix, der andere die Verstärkung. Die Werkstoffkunde unterscheidet vier Typen nach der Form der Verstärkung: Teilchenverbund, Faserverbund, Schichtverbund und Durchdringungsverbund. GFK, CFK und Aramidverbunde sind Faserverbunde, Sandwichplatten und Isolierlaminate wie NMN sind Schichtverbunde. In der Elektroisolierung arbeiten vor allem Schichtverbunde (NMN, DMD, NKN, Glimmerband, Alu-PET-Folien) und Faserverbunde (Hartpapier, Glashartgewebe), während CFK als Isolierstoff ausscheidet, weil Carbonfaser mit 10⁻³ bis 10⁻⁴ Ω·cm elektrisch leitet. Dieser Beitrag grenzt den Verbund gegen Legierung und Werkstoffverbund ab, ordnet die vier Typen mit Kennwerten ein und zeigt, was beim Schneiden und Stanzen eines Verbunds anders läuft: GOBA schneidet Gewebe, Prepregs, Laminate und Verbundfolien im Composite-Schnitt in Breiten von 5 bis 1.600 mm bei plus minus 0,1 mm und stanzt Isolierverbunde von 0,023 bis 3,0 mm Dicke.
Verbundwerkstoff, Legierung, Werkstoffverbund: wo die Grenzen verlaufen
Von einer Legierung unterscheidet sich der Verbund durch die Grenzfläche. In einer Legierung sind die Metalle atomar gemischt, im Verbund bleiben die Bestandteile als eigene Phasen erhalten, getrennt durch eine Grenzfläche, die man im Schliffbild sieht. Beton ist ein Verbund, Messing nicht.
An dieser Grenzfläche entscheidet sich auch, ob der Verbund als Werkstoff funktioniert. Die Matrix umschließt die Verstärkung, hält das Material in Form, überträgt Kräfte von einer Verstärkung zur nächsten und schützt sie gegen Feuchte, Medien und Abrieb. Die Verstärkung trägt Festigkeit und Steifigkeit, oder im Fall der Isoliertechnik die elektrische Barriere. Die Grenzfläche selbst ist der dritte, oft übersehene Bestandteil. Haftet die Matrix nicht auf der Faser, oder löst sich der Kleber zwischen zwei Lagen, ist der Verbund nur noch ein Stapel aus Einzelteilen. Wer Verbundmaterialien beurteilt, prüft deshalb zuerst die Haftung, nicht die Kennwerte der Bestandteile.
Verbundmaterial, Verbundwerkstoff, Verbundstoff und Composite bezeichnen dasselbe. Abzugrenzen ist der Werkstoffverbund: Damit meint die Fertigungstechnik ein Bauteil, in dem verschiedene Werkstoffe fügetechnisch verbunden sind, etwa ein Aluminiumgehäuse mit eingeklebter Stahlbuchse. Der Verbundwerkstoff ist ein Werkstoff, der Werkstoffverbund eine Konstruktion. Verbundverpackungen wie der Getränkekarton aus Karton, Polyethylen und Aluminium gehören begrifflich ebenfalls hierher, sind aber ein eigenes Feld, in dem GOBA nicht arbeitet.
Die vier Arten von Verbundwerkstoffen
Die Einteilung folgt der Geometrie der Verstärkung. Sie sagt gleichzeitig voraus, wie sich das Material beim Schneiden, Stanzen und Biegen verhält, deshalb lohnt sie sich auch für den Einkauf.
| Verbundtyp | Aufbau | Beispiele allgemein | Beispiele in der Elektroisolierung |
|---|---|---|---|
| Teilchenverbund | Partikel in einer Matrix, richtungsunabhängig (isotrop) | Hartmetall, Beton, gefüllte Kunststoffe | mineralgefüllte Tränk- und Vergussharze, wärmeleitfähig gefülltes Epoxid |
| Faserverbund | Kurz-, Lang- oder Endlosfasern in einer Matrix, richtungsabhängig (anisotrop) | GFK, CFK, Aramidfaserverbund, Stahlbeton | Hartpapier, Hartgewebe, Glashartgewebe (FR4), Glimmer-Glasgewebe-Verbund |
| Schichtverbund | flächige Lagen, verklebt, kaschiert oder verpresst | Sperrholz, Sandwichplatte, Verbundglas, Getränkekarton | NMN, DMD, NKN, Alu-PET-Folie, selbstklebend kaschierte Isolierfolie |
| Durchdringungsverbund | zwei durchgehende, ineinander verschlungene Phasen | Wolfram-Kupfer, mit Kunststoff gefüllter Metallschaum | Kontaktwerkstoffe in Schaltgeräten |
Der Unterschied zwischen isotrop und anisotrop ist für die Praxis der wichtigste in dieser Tabelle. Ein Teilchenverbund verhält sich in jede Richtung gleich. Ein Faserverbund ist in Faserrichtung um ein Vielfaches fester als quer dazu, und ein Schichtverbund hat in der Fläche andere Werte als senkrecht dazu. Wer ein Stanzteil aus einem Gewebelaminat auslegt, legt also auch die Faserrichtung zum Bauteil fest. Und wer ein Isolierlaminat falzt, belastet genau die Klebeschicht, die den Verbund zusammenhält.
Verbundwerkstoffe Beispiele: Kennwerte von GFK, CFK und Aramid im Vergleich
Faserverbunde bilden die größte und technisch wichtigste Gruppe, und sie sind es, die die meisten Leser unter Composites verstehen. Die Tabelle stellt drei Faserverbunde gegen Stahl und Aluminium. Die Spalte ganz rechts entscheidet darüber, ob ein Verbund in der Elektrotechnik überhaupt als Isolierstoff infrage kommt.
| Werkstoff | Dichte | Zugfestigkeit | E-Modul | Spezifischer Widerstand der Faser |
|---|---|---|---|---|
| GFK, quasiisotropes Laminat | 2,1 g/cm³ | 720 MPa | 30.000 MPa | E-Glas rund 10¹⁵ Ω·cm, isolierend |
| CFK, quasiisotropes Laminat | 1,5 g/cm³ | 900 MPa | 88.000 MPa | Carbon HT 10⁻³ bis 10⁻⁴ Ω·cm, leitend |
| Aramidfaserverbund, Gewebelaminat | Faser 1,45 g/cm³ | 460 bis 540 MPa | 22.000 bis 27.000 MPa | Aramid rund 10¹⁵ Ω·cm, isolierend |
| Stahl | 7,8 g/cm³ | 1.100 MPa | 210.000 MPa | leitend |
| Duralumin | 2,8 g/cm³ | 350 MPa | 75.000 MPa | leitend |
Die Werte stammen aus der Werkstoffdatensammlung der Suter Kunststoffe AG (swiss-composite) und gelten für Epoxidmatrix, die Gewebelaminate für 43 Volumenprozent Faseranteil. Faserverbunde streuen mit Faseranteil, Gewebeart und Harz erheblich, für die Auslegung gilt das Datenblatt des Halbzeugs. Die Reißlänge macht den Leichtbauvorteil greifbar: Ein Stahlseil trägt sich selbst 14 km weit, GFK 34 km, CFK 60 km.
Die letzte Spalte trennt die Welten. Carbonfaser leitet Strom, ihr spezifischer Widerstand liegt rund 18 Zehnerpotenzen unter dem von Glasfaser. CFK ist deshalb ein Leichtbauwerkstoff, kein Isolierstoff, und in Faserrichtung mit 15 bis 40 W/(m·K) sogar ein guter Wärmeleiter, gegenüber 0,8 W/(m·K) bei GFK. Glasfaser und Aramidfaser liegen bei 10¹⁵ Ω·cm und sind darum die Verstärkung der Wahl in Isolierverbunden. Die Matrix ist bei klassischen Composites fast immer ein Harz, also ein Duroplast: Epoxid hält je nach System 45 bis 230 °C, Polyesterharz 50 bis 160 °C. Organobleche und thermoplastische UD-Tapes setzen stattdessen eine thermoplastische Matrix ein, die sich nachträglich umformen und schweißen lässt. Was diese Bindungsarten praktisch bedeuten, erklären die Beiträge zu Duroplasten und Thermoplasten.
Die Anwendungsgebiete der Faserverbunde reichen von Rotorblättern für Windkraftanlagen über Rumpf- und Flügelstrukturen in der Luftfahrt bis zu Karosserieteilen im Automobil-Leichtbau und zu Sportgeräten. In dieser Kette steht GOBA beim Halbzeug: Wir schneiden Carbon-, Glas- und Aramidgewebe, Hybridgewebe und Prepregs im Lohnschnitt für Composites auf die Breite, die Legevorrichtung, Infusionsverfahren oder Tape-Legekopf verlangen. Das fertige Bauteil entsteht beim Kunden, die Breitengenauigkeit der Verstärkung entsteht bei uns.
Verbundmaterialien in der Elektroisolierung
Ein Isolierteil in der Statornut muss vier Dinge gleichzeitig können: Spannung sperren, die Kante beim Einziehen ohne Riss überstehen, das Tränkharz aufnehmen und die Wärmeklasse der Wicklung halten. Kein Monomaterial schafft das in 0,25 mm Dicke. Folie liefert die Durchschlagfestigkeit, ist aber empfindlich an der Kante und hält als PET nur Klasse B. Aramidpapier trägt Klasse H und schützt mechanisch, kostet in der nötigen Dicke aber zu viel. Vlies saugt Harz, sperrt jedoch keine Spannung. Genau aus diesem Grund sind die meisten Flächenisolierstoffe über Klasse B Verbundmaterialien.
Schichtverbunde: flexible Isolierlaminate und Verbundfolien
Die Isolierlaminate sind Schichtverbunde aus Papier, Folie und Vlies, flächig verklebt. Das Kürzel nennt die Reihenfolge der Lagen. Die Tiefe zu jedem Typ steht in den Beiträgen zu Laminatverbunden, DMD-Laminat und NMN-Laminat, hier steht die Übersicht.
| Verbund | Aufbau | Wärmeklasse | Typische Dicke | Was der Verbund leistet |
|---|---|---|---|---|
| DMD | PET-Vlies, PET-Folie, PET-Vlies | B bis F (130 bis 155 °C) | 0,15 bis 0,40 mm | günstigster Verbund, saugfähig für Tränkharz, Folie sperrt die Spannung |
| NMN | Nomex, PET-Folie, Nomex | F (155 °C) | 0,15 bis 0,50 mm, Nomex-Lagen 37 bis 130 µm | Aramid schützt die Kante und trägt die Klasse, Folie liefert die Festigkeit |
| NKN | Nomex, Kapton, Nomex | H (180 °C), mit passendem Harz bis C (200 °C) | bis 0,55 mm | Polyimidkern hebt die Klasse, Aramid bleibt die Schutzlage |
| Glimmerband auf Glasgewebe | Glimmerpapier, harzgebunden auf Glasgewebe, PET oder Polyimid | F bis H/C je Träger | 0,10 bis 0,14 mm, Glimmergehalt 110 bis 160 g/m² | Glimmer sperrt Teilentladung, der Träger macht das spröde Mineral wickelbar |
| Alu-PET-Verbundfolie | Aluminium auf PET kaschiert, auch Alu-Kupfer-PET | nach Folie | 12 bis 50 µm für Datenkabel, 50 bis 125 µm für Energiekabel | Metall schirmt, Folie trägt und isoliert nach innen |
| Kupferfolie mit leitfähigem Kleber, Kupfer-Nickel-Verbund | Metallfolie, Klebeschicht, Liner | nach Kleber | Kupfer 6 bis 200 µm | Kupfer leitet ab, Nickel schirmt magnetisch, der Kleber kontaktiert |
Wärmeklassen nach der Klassentabelle auf unserer Seite zu Isoliermaterialien und nach den Herstellerangaben von Karl Schupp AG und Dr. Dietrich Müller GmbH, Dickenbereich der Laminate nach Schupp, Glimmerband nach Dexlu, Kabelfolien nach Bleher, Kupferfolie nach unserer Seite zum Schneiden von EMV-Abschirmfolie. Die Durchschlagspannung flexibler Laminate liegt je nach Dicke bei 5 bis 30 kV im Verbund, Rollenware gibt es bis 2.000 mm unbeschnitten, Bänder ab 4 mm.
Die Klebeschicht ist in jedem dieser Verbunde der schwächste Punkt. Sie muss dieselbe Wärmeklasse halten wie die Lagen, sonst bestimmt der Kleber die Klasse des Laminats, nicht das Aramid. Ein guter Verbund lässt sich nicht von Hand aufspalten und zeigt am Schnitt keine offene Fuge zwischen Papier und Folie. Zu den Schichtverbunden gehören auch die selbstklebend kaschierten Folien, bei denen Kleber und Liner die weiteren Lagen bilden, beschrieben im Beitrag zur Kaschierfolie, sowie die metallkaschierten Folien für die EMV-Abschirmung. Die Trägerlage vieler Laminate erklärt der Beitrag zu Vlies, den Glimmerverbund für Hochspannung die Beiträge zu Glimmerband und Mikanit.
Faserverbunde als Isolierstoff: Hartpapier, Hartgewebe, Glashartgewebe
Die starren Isolierstoffe sind Faserverbunde mit duroplastischer Matrix, und zugleich Schichtverbunde, weil sie aus vielen harzgetränkten Papier- oder Gewebelagen verpresst werden. Die Datenblätter unterscheiden deshalb zwischen Werten parallel und senkrecht zur Schichtrichtung.
| Werkstoff | Träger und Harz | Dichte | Zugfestigkeit | Grenztemperatur | Elektrisch |
|---|---|---|---|---|---|
| Hartpapier HP 2061 (PF CP 201) | Zellulosepapier, Phenolharz | 1,35 g/cm³ | 120 MPa | 110 °C langfristig | gutes Isoliervermögen, spröde, feuchteempfindlich |
| Glashartgewebe HGW 2372.1 (FR-4, EP GC 202) | Glasgewebe, Epoxidharz | 1,9 g/cm³ | 220 MPa, Biegung 340 MPa | 120 °C nach VDE 0304/2, andere Sorten bis 155 °C | 10,2 kV/mm senkrecht, CTI 200, UL 94 V-0 |
Hartpapier nach dem Datenblatt der noltewerk GmbH, Glashartgewebe nach dem Datenblatt der Amsler & Frey AG (Durchschlagfestigkeit bei 90 °C in Öl nach IEC 60243-1). Dazwischen liegt das Hartgewebe HGW 2082 aus Baumwollgewebe und Phenolharz, zäher als Hartpapier, elektrisch aber nicht besser. Über alle drei Gruppen nennt die Sortenreihe DuroBest der AGK Durchschlagfestigkeiten von 2,7 bis 18 kV/mm und Dauergebrauchstemperaturen von 120 bis 280 °C. Diese Platten gibt es von 0,5 bis 60 mm. Dünne Sorten lassen sich stanzen, dicke werden gesägt und gefräst, und Hartpapier bricht dabei leicht, weil das Phenolharz spröde ist. Für Deckschieber, Distanzstücke und Stützteile im Motor ist Glashartgewebe die bessere Wahl, für einfache Abdeckungen in trockener Umgebung reicht Hartpapier.
Verbund oder Monomaterial: wann sich das Laminat lohnt
Unsere Empfehlung beginnt beim Monomaterial. Eine biaxial gereckte PET-Folie hält 130 °C nach IEC 216, sperrt über 70 kV/mm, kostet einen Bruchteil eines Laminats und lässt sich als Produktionsverschnitt sortenrein zurückführen. Solange eine Lage die Anforderung erfüllt, bleibt es bei einer Lage. Ein Laminat wird erst dann die bessere Wahl, wenn zwei Anforderungen gleichzeitig gelten, die kein Monomaterial in der verfügbaren Dicke erfüllt: Spannungsfestigkeit und Kantenschutz in der engen Nut (NMN statt blanker Folie), Harzaufnahme und Barriere im VPI-Prozess (DMD statt Folie), oder eine Wärmeklasse über B mit einem PET-Kern, den erst die Kaschierung mit Aramidpapier in die Klasse F hebt. Wo eine dieser Bedingungen fehlt, macht der Verbund das Teil nur teurer und fügt mit dem Kleber eine Schwachstelle hinzu.
Der Einwand, der in Ausschreibungen inzwischen regelmäßig auftaucht, lautet Recycling: Verbunde sind schwer trennbar. Das stimmt. Kaschierte und verklebte Lagen lassen sich nur mit Aufwand, oft gar nicht, in sortenreine Fraktionen zerlegen, und für Verpackungen verlangt die EU-Verpackungsverordnung ab 2030 mindestens 70 Prozent Recyclingfähigkeit, was Monomaterialien bevorzugt. Für Isolierteile ist die Rechnung eine andere. Das Teil sitzt am Lebensende in einer harzgetränkten Wicklung, der Stator wird geschreddert, Kupfer und Elektroblech werden zurückgewonnen, die Isolation geht thermisch. Ob das Isolierteil ein Laminat war, entscheidet über diese Bilanz nicht. Was zählt, ist die Lebensdauer: Ein Verbund, der die Wärmeklasse richtig trifft, hält den Motor länger im Betrieb als eine Folie am Rand ihrer Klasse. Den Verschnitt in der Fertigung dagegen bestimmt das Material sehr wohl, PET-Verschnitt geht als Regranulat zurück, Laminatverschnitt nicht. Mehr dazu im Beitrag zur Nachhaltigkeit von Folien.
Verbundmaterial schneiden und stanzen: was anders läuft als beim Monomaterial
Ein Datenblatt beschreibt den Verbund im Bauteil, nicht an der Messerschneide. Dort trennt der Scherschnitt aber genau die Grenzflächen, die den Verbund ausmachen. Fünf Effekte bestimmen das Ergebnis, und für jeden gibt es eine Gegenmaßnahme.
- Delamination. Beim Scherschneiden laufen zwei Kreismesser aneinander vorbei und setzen die Klebeschicht unter Schub. Ist die Kaschierung schwach oder der Messerabstand zu groß, öffnet sich die Kante und die Außenlage löst sich vom Kern. Wir stimmen Messerabstand und Wickelzug auf den Aufbau ab und prüfen den Anschnitt auf eine geschlossene Fuge zwischen Papier und Folie.
- Faserausbruch und Ausfransen. Trockenes Gewebe hat keine Matrix, die die Fasern an der Kante hält. Fransen die Fasern aus oder verschiebt sich die Faserausrichtung, fehlt dem späteren Bauteil an dieser Stelle Festigkeit. Die Schnittkante muss deshalb geschlossen bleiben, über die gesamte Rollenlänge.
- Messerverschleiß. Glas- und Carbonfaser sind abrasiv und beanspruchen die Schneiden weit stärker als Folie oder Papier. Wir überwachen den Werkzeugzustand während des Auftrags, weil eine stumpfe Schneide zuerst die Kantenqualität kostet und erst danach auffällt.
- Harzzustand beim Prepreg. Vorimprägnierte Gewebe auf Epoxid-, Phenol- oder Polyesterharz dürfen beim Schneiden weder Wärme sehen noch mechanisch gequetscht werden, sonst verschiebt sich die Harzverteilung. Temperaturkontrollierte Lagerung gehört bei uns zum Prozess.
- Klebkraft und Grat bei kaschierten und metallischen Verbunden. Selbstklebende Lagen setzen die Schneide zu, wenn Kleber an der Kante austritt. Bei Kupferfolie ab 6 µm führt schon ein leichter Grat in der Weiterverarbeitung zum Kurzschluss oder mindert die Schirmwirkung, deshalb ist Gratfreiheit bei Metallverbunden das Abnahmekriterium.
Für diese Materialien fahren wir Scherschnitt mit den folgenden Eckwerten, nachzulesen auf den Seiten zum Lohnschneiden und zum Schneiden von EMV-Abschirmfolie.
| Parameter | Wert bei GOBA |
|---|---|
| Mutterrollenbreite | bis 1.600 mm, Mutterrollen bis 1.000 kg |
| Schnittbreite | ab 5 mm |
| Breitentoleranz | plus minus 0,1 mm |
| Schnittgeschwindigkeit | bis 400 m/min, materialabhängig |
| Kerndurchmesser | 25, 55, 76 oder 152 mm |
| Stanzen | Materialdicke 0,023 bis 3,0 mm, Teile bis 1.000 x 2.000 mm |
Auf der Composite-Seite schneiden wir Carbonfasergewebe in Köper-, Leinwand- und Atlasbindung von 80 bis über 600 g/m², Glasfasergewebe aus E- und S-Glas von 25 bis über 1.200 g/m², Aramid- und Hybridgewebe, Prepregs, Glasfaser-, Polyester- und Carbonvliese sowie thermoplastische UD-Tapes, für die die 5 mm Mindestbreite und die 0,1 mm Toleranz gemacht sind. Die meisten Composite-Gewebe kommen in 1.000 bis 1.270 mm Breite, also 50 Zoll, und werden bei uns auf die Breite gebracht, die Überlappung und Stoßlücke im Bauteil vorgeben. Auf der Isolierseite kommen NMN, DMD, NKN, Glimmerband, Alu-PET- und Kupfer-Nickel-Verbundfolien als Rollenware dazu. Die Übersicht der Gewebe und Halbzeuge steht auf der Seite Composite schneiden.
Gestanzt werden die Isolierverbunde zu Nutverschlusskeilen, Phasenpapieren, Deckschiebern und Distanzlagen nach Zeichnung, wobei wir Falzkanten im selben Hub vorprägen, damit das Laminat beim Biegen an der vorgesehenen Linie nachgibt und nicht in der Klebeschicht aufreißt. Ob der günstigere Bandstahlschnitt reicht oder ein Vollstahlwerkzeug für enge Toleranzen und lange Standzeit nötig ist, entscheidet die Kontur. Verfahren und Werkzeuge beschreibt die Seite Stanzen und Formen, die fertigen Teile die Seite zu Isolierteilen und Formteilen.
GOBA Fazit
Verbundmaterialien sind die Regel in der Elektroisolierung oberhalb der Klasse B und die Ausnahme darunter. Die vier Verbundtypen sagen voraus, wo das Material beim Schneiden nachgibt: am Kleber beim Schichtverbund, an der Faserkante beim Gewebe, an der Schneide beim abrasiven Glas. Wer ein Laminat spezifiziert, sollte deshalb neben Wärmeklasse und Durchschlagspannung auch die Verarbeitung mitdenken, denn die Kante wird beim Konverter gemacht, nicht beim Hersteller der Bahn.
Wir fertigen aus den beschriebenen Verbunden seit 1959 Schnittrollen und Stanzteile, die Materialübersicht steht auf der Seite zu unseren Isoliermaterialien. Wenn Sie unsicher sind, ob Ihre Anwendung ein Laminat braucht oder eine Folie reicht, schicken Sie uns Wärmeklasse, Spannung und Zeichnung. Für Sonderaufbauten und kleine Stückzahlen sprechen Sie uns über kundenspezifische Produkte an.
