Carbon Composite - Basiswissen über Carbon

Basiswissen über Carbon / CFK Grundlagen

Was ist der Unterschied zwischen Carbon, CFK und Kohlefaser?

CFK - Die richtige Bezeichnung ist Carbonfaserverstärkter Kunststoff. Hieraus leitet sich auch die Kurzform CFK ab (vgl. engl. CFRP Carbonfiber reinforced plastic)

Carbon oder Karbon – wenn nur von Carbon gesprochen wird, stellt dies lediglich eine Abkürzung der Bezeichnung Carbonfaserverstärkter Kunststoff dar.

Kohlefaser – im deutschen Sprachgebrauch wird häufig das Wort Kohlefaser als Kurzform der Kohlenstoffaser = Carbonfaser verwendet.

Wie wird Carbon hergestellt?

Als Karbonisierung bezeichnet man den Herstellungsprozess bzw. die Pyrolyse von Carbonfasern aus Kohlenstoff. Hierbei wird das Ausgangsmaterial auf Temperaturen von bis zu 1300°C erhitzt, um bei unterschiedlichen Druckverhältnissen die Anordnung der Moleküle zu einer Kette (Filament) und letztendlich der Carbonfaser zu erreichen. Ein einzelnes Carbonfilament weist einen Durchmesser von nur 5-8 Mikrometern auf.

Was ist ein Roving und was bedeuten die Zahlen 1K, 3k oder gar 24K?

Als Roving bezeichnet man die Anordnung der einzelnen Carbonfaserfilamente zu einem Strang. Somit ist ein Carbofaser Roving eine Art Garn, das aus vielen einzelnen Carbonfaserfilamenten besteht. Die Bezeichnung der Filamentanzahl wird in K angegeben, welches für die Tausenderzahl Kilo steht. Somit enthält ein 1K Roving bspw. 1.000 Filamente, ein 3K = 3.000 Filamente und ein 24K Roving 24.000 Filamente.

Was ist Carbongewebe bzw. Kohlefasergewebe?

Als Carbongewebe bezeichnet man die auf einer Webmaschine weiterverarbeiteten Carbonfasern zu einem fertigen Gewebe oder Tuch. Je nach Webart lassen sich hier unterschiedliche Muster bzw. Designs abbilden. Hauptsächlich kommen in der Carbonfaser Verarbeitung die Gewebetypen Leinwand oder Köper 2/2 zum Einsatz. Viele weitere Webmuster sind möglich, allerdings müssen hier zunächst einige 100m² gefertigt werden.

Was ist Leinwandbindung und Köper 2/2 Gewebe?

Leinwand (engl. = plain weave) oder Köper (engl. = twill weave) bezeichnet die Webart und letztendlich das Design, das die Carbonbauteile später aufweisen.

Köper Gewebe 2/2

[vgl. engl. Twill weave fabric]

Beim Köpergewebe verlaufen die Fasern in einem Winkel von 0° / 90° zueinander. Durch die spezielle 2/2 Webart erscheint optisch ein schräger Faserverlauf in einem Winkel von ±45°, obwohl die Fasern in Längs- und Querrichtung zur Rohrachse verlaufen. Dieses Design wird von uns für Rohre der Power Tube Serie (Wandstärke 5mm) und der Telescopic Tube Serie (Wandstärke 2,5mm) verwendet. Ebenfalls sind unsere Carbonplatten und Carbonwinkel mit dieser Gewebeart gefertigt, wodurch sie sich aufgrund des selben Designs sehr gut kombinieren lassen.

Leinwand Bindung

[vgl. engl. Plain weave fabric]

Bei einem Carbon Gewebe mit Leinwand Bindung, verlaufen die Fasern in einem Winkel von 0°/ 90° zueinander. Der Faserverlauf wirkt durch die Webart 1/1 exakt rechtwinklig zueinander. Bei der Verwendung dieses Gewebes für die Produktion von CFK Rohren, verlaufen die Fasern in Längs- und Querrichtung zur Rohrachse. Dies erhöht das Verhältnis der Biegesteifigkeit entsprechend zur Druckfestigkeit und kommt bei uns für unterschiedliche Wandstärken, unter anderem bei 0,5mm, 0,75mm, 1mm, 1,5mm, 2mm und 3mm zum Einsatz. Durch das exakte Weben der Fasern lässt sich eine sehr feine Gewebeoptik abbilden, wodurch die Carbon Produkte ein edles Carbondesign aufweisen.

Was ist der Unterschied zwischen unidirektional = UD, bidirektional, triaxial, quadraxial und quasiisotrop?

Diese Bezeichnungen beschreiben den Faseraufbau im entsprechenden Laminat

Unidirektional – alle Fasern in nur eine Richtung gelegt

Bidirektional – die Fasern werden hier in 2 Richtungen in 0° und 90° zueinander gelegt (oder ±45°)

Triaxial – die Fasern werden in 3 unterschiedlichen Winkeln gelegt, meist 0° und +45° / -45°

Quadraxial – die Fasern werden abwechselnd in den Richtungen 0° / 90° / +45° / -45° (=135°) gelegt

Quasiisotrop – bei einem quasiisotropen Laminat werden die Fasern mindestens in 4 unterschiedliche Richtungen gelegt und hierzu noch mit einem symmetrischen Lagenaufbau zur Mittelachse.

Der Faseraufbau entscheidet letztendlich über die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Bauteils. Ein Rohr, welches maßgeblich auf Biegung belastet wird, weist einen hohen Faseranteil in die Längsrichtung 0° auf, wohingegen eine Torsionswelle hauptsächlich aus den Faserwinkeln +45° und -45° besteht. Die variable Kombination von Fasertypen und Faserwinkeln lässt individuelle Bauteile exakt nach Ihren Anforderungen entstehen.

Was sind Hochmodul Carbonfasern – Gibt es unterschiedliche Carbonfasern bzw. was ist der Unterschied zwischen HT, IM, HM oder UHM Fasern?

Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Carbonfasertypen, die selbstverständlich auch unterschiedliche technische Eigenschaften aufweisen. Prinzipiell werden hierbei Carbonfasern nach ihrer Festigkeit klassifiziert und in entsprechende Gruppen gegliedert:

HT – High Tenacity = Hochleistungskohlenstofffasern (Beispiele HTA, HTS)

IM – Intermediate Modulus = höhere Steifigkeit bei erhöhter Zugfestigkeit

HM – High Modulus = Hochmodulfasern für enorme Steifigkeit

UHM – Ultra High Modulus – Ultra Hochmodulfaser für Anwendungen mit überlegener Leistungsfähigkeit an das finale Bauteil

Was ist Epoxy?

Epoxidharz, umgangssprachlich auch Epoxy genannt, ist eine Kunststoffmatrix, in die Carbonfasern zu einem Composite Bauteil eingebettet werden. Bei der Verarbeitung von Carbonfasern zu carbonfaserverstärktem Kunststoff haben sich folgende Matrix Systeme bewährt: Epoxid, Polyester, Vinylester, Phenol oder auch Cyanatester. Wenn Carbonfasern mit einer Kunststoffmatrix zu einem Halbzeug wie bspw. einer Platte oder einem Rohr verarbeitet wurden, spricht man auch von einem Composite Bauteil oder Laminat.