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Carbonfaser-Fertigung: Prozess, Eigenschaften & Hochleistungsanwendungen

Was sind Carbonfasern (CFK / Carbon Fiber Reinforced Polymers)?

Carbonfasern sind Fasern mit > 90 % Kohlenstoffgehalt, Durchmesser 5–10 µm, extrem hohes Festigkeits- / Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis. In Matrix (Epoxidharz, Thermoplast, Keramik, Kohlenstoff) eingebettet → CFK (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Synonym: Graphitfasern (hochmodulig, > 400 GPa).

Herstellprozess: Von der Vorstufe zur Faser

  1. Vorstufe (Precursor) – 90 % Polyacrylnitril (PAN): Acrylnitril polymerisiert → Spinnlösung (DMSO/DMF) → Nassspinnen / Trockenspinnen → PAN-Faser. 10 %: Pitch (Pechoel/Steinkohlenteer) → niedrigere Eigenschaften, günstiger. Zukunft: Lignin (biobasiert), PEO.
  2. Oxidation (Stabilisierung): 200–300 °C, Luft. Cyclisierung der Nitrilgruppen → Leiterstruktur, thermisch stabil, nicht mehr schmelzbar. Exotherm, kontrollierte Temperaturführung kritisch. Dauer: Stunden.
  3. Kohlung (Carbonization): 1.000–1.500 °C, inert (N₂). Abspaltung Nicht-Kohlenstoff (H, O, N) → Kohlenstoffgerüst. Festigkeit/Modul steigen.
  4. Graphitisierung (High Modulus): 2.500–3.000 °C, inert. Kristallites wachsen, Orientierung parallel zur Faserachse → Modul 400–900 GPa (Ultra High Modulus). Festigkeit sinkt leicht.
  5. Oberflächenbehandlung (Sizing): Elektrochemisch / Gasphasen-Oxidation → funktionelle Gruppen (–COOH, –OH) für Matrixhaftung. Applikation von Sizing (Epoxid-kompatibel, Schutz, Handhabung).
  6. Aufspulen & Qualitätsprüfung: Zugfestigkeit, Modul, Dehnung, Durchmesser, Oberflächenfehler (Einzel-Faser-Test).

Fasertypen & Kennwerte (Typisch)

Vom Fasern zum Bauteil: CFK-Herstellverfahren

TypZugfestigkeit (GPa)E-Modul (GPa)Dehnung (%)VorstufeAnwendung
Standard Modulus (HT / High Tenacity)3,5–5,5230–2501,5–2,0PANLuftfahrt, Sport, Auto, Wind, Druckbehälter
Intermediate Modulus (IM)4,5–6,0280–3101,5–1,8PANLuftfahrt (Primärstruktur), Raumfahrt
High Modulus (HM)3,5–4,5350–4500,9–1,2PAN / PitchSatelliten, Optikbänke, Steifigkeitskritisch
Ultra High Modulus (UHM)2,5–3,5> 450 (bis 900)0,5–0,8PitchRaumfahrt, Wissenschaft, Spezial
VerfahrenPrinzipTypische FormateAnwendung
Prepreg (Pre-impregnated)Fasergelege/UD-Band vorimprägniert (Epoxid, B-Stage), gekühlt gelagert. Autoklav / Out-of-Autoclave (OoA) Aushärten.UD-Tape, Gewebe (Twill, Plain, Satin), Multiaxial (NCF)Luftfahrt (Flügel, Rumpf), F1, High-End Sport, Rotorblätter.
RTM / VARTM / HP-RTM (Resin Transfer Molding)Trockenes Preform in geschlossenem Werkzeug → Harzinjektion (Vakuum/Druck) → Aushärten.Komplexe 3D-Geometrien, hohe Faserstoffgehalte (60–65 %).Auto (Strukturteile), Wind (Rotorblatt-Sparcaps), Schiene.
PultrusionEndlos: Roving + Matten → Harzbad → beheiztes Formwerkzeug → Aushärten im Durchlauf → Abzug & Sägen.Profile (Stäbe, Rohre, I/U/C-Profile) – konstanten Querschnitt.Bau (Brücken, Profile), Offshore, Strommasten, Antennen.
Filament WindingGetränkte Rovings auf rotierenden Mandrel gewickelt (Winkel programmierbar).Rotationssymmetrische Hohlkörper.Druckbehälter (Typ III/IV Wasserstoff, CNG), Rohre, Raketenmotorhüllen.
AFP / ATL (Automated Fiber Placement / Tape Laying)Roboter legt UD-Tape (3–12 mm) bahnenweise auf Werkzeug / Form. Schneiden, Drehen, Kompaktieren inline.Große, komplexe Strukturen (Rumpfschalen, Tragflächenkästen, Rotorblätter).Luftfahrt (Boeing 787, Airbus A350), Wind, Raumfahrt.
Thermoplastische CFK (Organobleche / UD-Tape PP/PEEK/PEKK)Schmelzen, Formen (Stampformen, Pressen), Abkühlen – keine Chemische Reaktion, recyclebar, schweißbar.Organobleche (Consolidated Laminates), UD-Tape.Auto (Serienbauteile), Luftfahrt (Innenraum), Öl/Gas.
3D-Druck (Continuous Fiber – Markforged, Anisoprint, 9T Labs)Endlosfaser (C, Kevlar, Glas) in Thermoplast (Onyx, PA, PEEK) koextrudiert.Funktionale Prototypen, Werkzeuge, Endteile (klein/mittel).F&E, Werkzeugbau, Kleinserien, Bildung.

Qualitätssicherung & Prüfung

Markt & Trends

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