Warum die wahre Zugfestigkeit eines UD-Tapes so schwer zu messen ist
Thermoplastische Unidirektional-Tapes (UD-Tapes) aus kohlenstofffaserverstärktem PEEK, PPS oder PA gelten als Schlüsselmaterial für strukturelle Leichtbauanwendungen in Luft- und Raumfahrt, Automotive und Industrietechnik. Ihre axiale Zugfestigkeit ist dabei die maßgebliche Kennzahl – sie bestimmt, wie viel Last eine Struktur tragen kann, wie dünn die Wandstärke ausgelegt werden darf und ob ein Bauteil sein Gewichtseinsparpotenzial wirklich ausschöpft.
Doch genau diese Kennzahl ist schwieriger zu ermitteln, als es auf den ersten Blick scheint. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen: Prüfartefakte, Fertigungsdefekte und Fasergeometrie können die gemessene Zugfestigkeit gegenüber dem theoretischen Potenzial des Materials um 20 bis 50 % senken – ohne dass dies im Prüfprotokoll sichtbar wird. Wer UD-Tapes beschafft, verarbeitet oder bewertet, sollte verstehen, warum.
Drei Artefakte dominieren den Zugversuch
Thermoplastische UD-Tapes vereinen hochsteife, spröde Fasern mit einem duktilen Matrixsystem. Diese Kombination macht sie mechanisch leistungsfähig – und prüftechnisch anspruchsvoll. Im Zugversuch treten regelmäßig drei Fehlerquellen auf:
1. Einspanneffekte: Konventionelle Keilbackengreifer erzeugen an den Probenenden mehrachsige Spannungszustände. Die Folge: Versagen tritt nicht in der Messlänge auf, sondern direkt im Einspannbereich – und die gemessene Festigkeit liegt systematisch unter dem tatsächlichen Wert. Studien zeigen, dass dieser Effekt bei unidirektionalen CFK-Proben besonders ausgeprägt ist, da die anisotrope Steifigkeit jede Querbelastung in eine kritische Scherkomponente umwandelt.
2. Faserfehlstellung und Welligkeit: Bereits geringe Abweichungen der Faserausrichtung aus der Belastungsachse führen zu erheblichen Festigkeitsverlusten. Eine Fehlstellung von nur 5° reduziert die Zugfestigkeit auf rund 75 % des idealen Referenzwerts – eine Einbuße von einem Viertel der Tragfähigkeit durch eine kaum sichtbare geometrische Abweichung. Mikro-CT-Analysen belegen, dass lokale Faserwinkelabweichungen von bis zu 8,9° an Tape-Nahtstellen auftreten können.
3. Mikroporen und unvollständige Faserbenetzung: Hohlräume im Laminat unterbrechen Lastpfade und wirken als Kerbspannungsquellen. Bereits ein Porengehalt von 2,5 vol % senkt die transversale Zugfestigkeit um mehr als ein Drittel. Für die Luft- und Raumfahrt gilt daher ein Grenzwert von unter 1 vol % – ein Ziel, das in der Praxis nur durch konsequente Prozesskontrolle erreichbar ist.
Einspanntechnik: Der unterschätzte Einflussfaktor
Die Wahl der Einspannmethode ist keine Nebensache – sie entscheidet darüber, ob ein Zugversuch die intrinsische Materialfestigkeit abbildet oder einen systematisch zu niedrigen Wert liefert.
Keilbackengreifer mit Riffelbacken sind weit verbreitet, erzeugen aber hohe Quer- und Schubspannungen an den Probenenden. Sandpapier-Einlagen reduzieren den lokalen Eindruckdruck und verbessern die Wiederholbarkeit. Den zuverlässigsten Ansatz bieten jedoch geklebte, konisch auslaufende Endtabs aus Glasfasergewebe: Die sanfte Querschnittsüberleitung verteilt die Einleitungskräfte gleichmäßig und verschiebt das Versagen in die eigentliche Messlänge.
Noch weiter geht das am IVW Kaiserslautern entwickelte Konzept des kontinuierlichen Kohlefaser/PA6-Tabs: Der Tab erstreckt sich über die gesamte Probenlänge, besitzt eine abgestimmte Steifigkeit und eliminiert die geometrische Diskontinuität am Übergang vollständig. Im Vergleich zu konventionellen Tabs reduziert dieses Konzept die Spannungsspitze an der Tab-Kante um rund 10 % – und liefert Messwerte, die dem theoretischen Materialwert am nächsten kommen.
Die Kernaussage für die Praxis: Jede Einspanngeometrie, die abrupte Steifigkeitssprünge am Übergang zur Messlänge vermeidet, liefert zuverlässigere und höhere Festigkeitswerte. Wer Materialien auf Basis von Zugversuchen vergleicht, sollte stets prüfen, welche Einspannmethode verwendet wurde.
Vom Faserpotenzial zur Bauteilfestigkeit: Eine erhebliche Lücke
Trockene Kohlenstofffasern erreichen im Einzelfaserversuch intrinsische Zugfestigkeiten von 3 bis 6 GPa. Im thermoplastischen UD-Tape – eingebettet in eine Polymermatrix – verbleiben in der Praxis 1,5 bis 2,5 GPa. Das entspricht nur 30 bis 50 % des Faserpotenzials. Diese Lücke entsteht durch mehrere Mechanismen:
Volumenverdünnung: 40 bis 50 % des Querschnitts entfallen auf das Matrixsystem, das axial kaum zur Festigkeit beiträgt.
Grenzflächeneffizienz: Die Haftfestigkeit zwischen Faser und Matrix beeinflusst die Festigkeit nur mit einer Kubikwurzel-Abhängigkeit – hohe Grenzflächenscherfestigkeit bringt daher schnell abnehmende Zusatzgewinne.
Fertigungsdefekte: Poren und Faserfehlstellungen kosten zusammen weitere 20 bis 40 % der theoretisch erreichbaren Festigkeit.
Diese Lücke ist kein Naturgesetz – sie ist ein Maßstab für Optimierungspotenzial.
Welche Fertigungsparameter die Festigkeit am stärksten beeinflussen
Forschungsergebnisse der letzten Jahre erlauben eine klare Rangfolge der relevanten Einflussfaktoren:
Porosität ist der kritischste Einzelfaktor. Schon 2,5 vol % Hohlraumgehalt senken die transversale Festigkeit um 34 %. Für Luft- und Raumfahrtanwendungen ist ein Grenzwert von unter 1 vol % nicht verhandelbar.
Abkühlrate beeinflusst Kristallinität und Eigenspannungen. Schnelles Abschrecken – wie es bei der In-situ-Konsolidierung ohne nachgelagerten Autoklav auftreten kann – kann die transversale Festigkeit um bis zu 44 % gegenüber dem autoklavierten Referenzlaminat senken. Prozessgeführte Abkühlung, Spannung durch Wickeln und Temperierungsschritte nach der Fertigung können diesen Verlust kompensieren.
Faservolumengehalt steigert die axiale Festigkeit bis zu einem Optimum von 55 bis 60 vol % – vorausgesetzt, die Faserbenetzung bleibt vollständig. Jenseits dieses Bereichs überwiegen die negativen Effekte unvollständiger Imprägnierung.
Grenzflächenhaftung – messbar über die interlaminare Scherfestigkeit (ILSS) – ist für die transversale und Schubfestigkeit maßgeblich. Plasmabehandlung der Tapeoberfläche vor der Weiterverarbeitung hat in Studien zu einer Verdoppelung der ILSS geführt, von 33 MPa auf 75 MPa bei LMPAEK/CF-Systemen.
Was eine belastbare Zugprüfung von UD-Tapes erfordert
Direkte Antwort für Fachleute: Die Zugfestigkeit thermoplastischer UD-Tapes wird zuverlässig nur dann gemessen, wenn geklebte, konisch auslaufende Endtabs oder kontinuierliche Tab-Konzepte eingesetzt werden, der Faserwinkel in der Messlänge unter 3° liegt und der Porengehalt unter 1 vol % gehalten wird. Nur dann bildet der Messwert die intrinsische Materialfestigkeit ab – nicht ein Artefakt aus Einspannung oder Fertigungsdefekten.
Fazit: Festigkeit ist kein Materialzertifikat – sie ist ein Prozessergebnis
Die Zugfestigkeit eines thermoplastischen UD-Tapes ist nicht allein eine Funktion des Fasermaterials oder des Datenblattwertes. Sie ist das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels aus Einspannmethodik, Fasergeometrie, Porengehalt, Grenzflächenqualität und Abkühlbedingungen.
Für Ingenieure und Einkäufer bedeutet das: Materialvergleiche auf Basis von Zugfestigkeitswerten sind nur dann aussagekräftig, wenn Prüfnorm, Einspannmethode und Fertigungshistorie bekannt sind. Und für Hersteller von thermoplastischen Verbundstrukturen gilt: Die Qualität des Eingangsmaterials – des UD-Tapes – ist der erste und entscheidende Hebel für die Festigkeit des fertigen Bauteils.
Wer diesen Hebel konsequent nutzt, schöpft das Potenzial thermoplastischer Hochleistungsverbundwerkstoffe wirklich aus.
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📚 VERWENDETE QUELLEN:
CompositesWorld: Gripping composite test specimens: Options and guidance
ScienceDirect: Specimen designs for accurate tensile testing of unidirectional composite laminates (2023)
SAGE Journals: A novel tab for tensile testing of unidirectional thermoplastic composites – Mohd Tahir et al. (2019)
ScienceDirect: Micro-CT measurement of fibre misalignment
MDPI Polymers: Effects of Void Characteristics on the Mechanical Properties of CF/PEEK Composites (2025)
ScienceDirect: Effect of plasma treatment on LMPAEK/CF tape (2024)
ScienceDirect: Moderation of thermoplastic composite crystallinity through tempering (2021)
PMC: Manufacturing-Induced Defect Taxonomy and Visual Detection in UD Tapes (2025)
IntechOpen: Unidirectional Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Tape in Automated Tape Placement Process