All about Carbon

Carbon ist die umgangssprachliche Bezeichnung für kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (= CFK). Es handelt sich um einen Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einer Matrix aus einem Duroplast, oder in speziellen Fällen auch um einen Thermoplast. Dieser hochwertige Werkstoff zeichnet sich durch sehr hohe Festigkeit (je nach Auslegung sogar noch höher als Stahl) in Verbindung mit sehr geringem Gewicht (deutlich geringer als Aluminium) aus. Bei dem Leichtbau mit Kohlenstofffasern liegt das Ziel darin, extrem feste und steife Bauteile mit geringen Massen zu realisieren. So kann aus diesem Werkstoff das volle Potential geschöpft werden.

Carbon ist jedoch nicht gleich Carbon. Verbundwerkstoffe unterscheiden sich durch die Herstellungsverfahren und damit auch durch die physikalischen Eigenschaften. Der Faservolumenanteil und die Faserausrichtung haben dabei Einfluss auf die Festigkeit und den Elastizitätsmodul. Je mehr Kohlenstofffasern und je weniger Harz im Werkstoff gebunden sind, desto besser sind i.d.R. die physikalischen Eigenschaften. Nachfolgend bieten wir einen kurzen Überblick über verschiedene Herstellungsverfahren:

Pregreg-Verfahren

Durch Prepregs (impregnated fibres) wurde der technologische Fortschritt von Carbon-Bauteilen in den letzten Jahrzehnten stark geprägt. Nicht umsonst wird dieses Fertigungsverfahren für die Herstellung von sehr hochwertigen Bauteilen in Luft- und Raumfahrt, sowie im Motorsport eingesetzt.

Beim Prepreg-Verfahren werden zugeschnittene und vorimprägnierte Matten in definierten Ausrichtungen in ein Formwerkzeug gelegt, oder um einen Kern gewickelt. Im Anschluss wird das Gelege unter hohem Druck und hoher Temperatur ausgehärtet. Dies erfolgt in der Regel in Autokalven (Druckbehältern). So können sehr komplexe, sowie mechanisch und thermisch hoch belastbare Bauteile mit auch sehr geringen Wandstärken hergestellt werden. Der größte Vorteil dieses Verfahrens liegt dabei im hohen Faservolumengehalt, gegenüber anderen Fertigungsverfahren und der sehr genauen Reproduzierbarkeit.

Pultrusionsverfahren

Pultrusion, oder auch Strangziehverfahren genannt, ist ein automatisiertes kontinuierliches Herstellungsverfahren zur kostengünstigen Fertigung von faserverstärkten Profilen in beliebiger Länge.

Die imprägnierten Fasern, werden in einer ersten Station durch ein Formwerkzeug gezogen, um damit dem Profil die gewünschte Form zu verleihen. Anschließend wird das Profil in einer zweiten Station durch eine beheizte Form geführt, wodurch das Material aushärtet. Nach einer Abkühlstrecke kann das entstandene feste Profil dann auf Länge zugeschnitten und weiterverarbeitet werden. Die pultrudierten Profile haben eine Faserausrichtung überwiegend in axialer Richtung (unidirektional).

Pullwinding-Verfahrem

Die Pullwinding-Technologie ist eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Pultrusion. Bei diesem Verfahren werden Fasern mit Hilfe von rotierenden Werkzeugen zusätzlich um das pultrudierte Profil gewickelt. Nach der Aushärtung erhält man ein Profil, welches sich dank der zusätzlichen Faserwicklung in unterschiedlichen Ausrichtungen durch eine noch höhere Biegefestigkeit auszeichnet.

Wickelverfahren (Filament-Winding)

Das Filament Winding (Fadenwickeln) ist ein Produktionsverfahren zur Herstellung von  rotationssymmetrischen Bauteilen. Beim  Wickeln werden die Fasern (Rovings) von einer, oder mehreren Spule(n) abgezogen, in Harz getränkt und auf einen rotierenden Kern gewickelt. Mit Hilfe eines sich axial bewegenden Faserauges werden die Fasern aufgebracht. Aufgrund der axialen Geschwindigkeit des Faserauges und der Drehgeschwindigkeit des Kerns kann der Faserwinkel definiert variiert werden. Es entsteht so ein vollständig umwickeltes Profil. Im Anschluss wird das laminierte Profil unter erhöhter Temperatur ausgehärtet.  

Vorteile des Filament Winding-Verfahrens sind ein präziser definierter Faserverlauf, eine große Reproduzierbarkeit und eine Flexibilität durch eine große Auswahl an Wickelkernen. Zudem lassen sich mit diesem Verfahren auch kostengünstig sehr hohe Wandstärken realisieren.

Bearbeitungsmöglichkeiten

Carbon-Halbzeuge können ähnlich wie Metalle mechanisch bearbeitet werden (Sägen, Bohren, Fräsen, Drehen, etc.). Kleine Bearbeitungen können einfach mit Hartmetallwerkzeugen durchgeführt werden. Weil der Werkstoff aber sehr abrasiv ist und einen höheren Werkzeugverschleiß verursacht, sollten für umfangreiche Arbeiten spezielle diamantbesetzte Werkzeuge verwendet werden. Zum Schneiden haben sich Diamanttrennscheiben bestens bewährt. Sie können die Bearbeitung "trocken" oder "nass" durchführen. Der entstehende Feinstaub muss bei einer trockenen Bearbeitung aber unbedingt mit geeigneten Mitteln aufgefangen werden, damit keine Gesundheitsgefährdung entsteht. Bitte beachten Sie, dass herkömmliche Staubsauger dafür nicht geeignet sind!

Verklebungen

Kleine Verklebungen können mit Sekundenkleber durchgeführt werden. Jedoch müssen die zu verklebenden Teile dazu sehr passgenau sein und der Klebespalt darf nicht größer als 0,1 mm sein. Für hochfeste Verbindungen empfehlen wir 2-Komponenten-Epoxid-Klebstoffe oder 2-Komponenten-Methylakrylat-Klebstoffe. Damit lassen sich auch größere Klebespalte sicher überbrücken. Die Klebestellen müssen vor dem Verkleben unbedingt angerauht und gut gereinigt werden.

Kann CFK / Carbon unter Wärme auch verformt werden?

Wir bieten Ihnen nur hochfeste und nicht verformbare Platten und Profile an. Diese werden aus Kohlenstofffasern und einer Matrix aus einem Duroplast (Epoxid, oder Vinylester) gefertigt. Diese Werkstoffkombination bietet sehr hohe Festigkeit und lässt sich nicht verformen. Verformbare Platten, oder Profile werden mit einer Matrix aus einem Thermoplast hergestellt. Diese Kombination erreicht aber eine viel niedrigere Festigkeit. Um die gleiche Festigkeit zu erreichen, müsste man eine deutlich höhere Materialstärke einsetzen. Deswegen sind verformbare Platten und Profile für extremen Leichtbau ungeeignet.