Carbonfaser-Gewebe erklärt: Typen, Anwendungen und Vorteile

Wenn Sie sich je gefragt haben, warum ein Stück Carbonfaser anders aussieht als ein anderes – Sie sind nicht allein. Carbonfaser gibt es in vielen verschiedenen Geweben, und jedes dient einem anderen Zweck – es geht nicht nur um Optik.

Carbonfasern werden aus Vorläufermaterialien wie Polyacrylnitril (PAN) und Rayon hergestellt. Die Vorläuferfasern werden chemisch behandelt, erhitzt und gestreckt, dann karbonisiert, um hochfeste Fasern zu erzeugen. Diese Fasern oder Filamente werden zu Tows gebündelt, die durch die Anzahl der enthaltenen Carbonfilamente identifiziert werden. Gängige Tow-Ratings sind 3k, 6k, 12k und 15k. Das „k“ steht für tausend – ein 3k-Tow besteht also aus 3.000 Carbonfilamenten. Ein Standard-3k-Tow ist typischerweise 0,125" (3,175 mm) breit – eine enorme Faseranzahl in kleinem Raum. Ein 6k-Tow hat 6.000 Filamente, 12k hat 12.000, usw. Diese große Anzahl hochfester Fasern, die zusammen gebündelt sind, macht Carbonfaser zu einem so starken Material.

Gewebte Carbonfaser

Carbonfaser liegt typischerweise als Gewebe vor, was die Verarbeitung erleichtert und je nach Anwendung zusätzliche strukturelle Festigkeit bieten kann. Deshalb gibt es viele verschiedene Gewebe für Carbonfaser-Gewebe. Die gängigsten sind Plain, Twill und Harness Satin – wir gehen auf jedes im Detail ein.

Plain Weave (Leinwandbindung)

Ein Plain-Weave-Carbonfaser-Gewebe wirkt symmetrisch mit einem kleinen Schachbrettmuster. In diesem Gewebe werden die Tows in einem Über-Unter-Muster verwebt. Der kurze Abstand zwischen den Verwebungen verleiht dem Plain Weave ein hohes Maß an Stabilität. Gewebestabilität ist die Fähigkeit eines Gewebes, seinen Verwebungswinkel und die Faserorientierung beizubehalten. Aufgrund dieser hohen Stabilität ist Plain Weave nicht gut für Layups mit komplexen Konturen geeignet – es ist nicht so formbar wie andere Gewebe. Generell eignen sich Plain-Weave-Gewebe für flache Platten, Rohre und 2D-Kurven.

Ein Nachteil dieses Webmusters ist der harte Crimp (der Winkel, den die Faser beim Weben macht) in den Tows aufgrund des kurzen Abstands zwischen den Verwebungen. Der harte Crimp kann Spannungskonzentrationen erzeugen, die das Teil im Laufe der Zeit schwächen können.

Twill Weave (Köperbindung)

Twill bildet eine Brücke zwischen Plain Weave und den Satin-Geweben, die wir als Nächstes besprechen. Twill hat gute Formbarkeit und kann sich komplexen Konturen anpassen, und behält seine Gewebestabilität besser als Harness Satin, aber nicht so gut wie Plain Weave. Verfolgt man einen Tow-Strang in einem Twill-Gewebe, so geht er über eine festgelegte Anzahl von Tows und dann unter der gleichen Anzahl hindurch. Das Über-Unter-Muster erzeugt eine diagonale Pfeilspitzen-Optik, bekannt als „Twill-Linie“. Der größere Abstand zwischen den Tow-Verwebungen bedeutet weniger Crimps im Vergleich zu Plain Weave und weniger potenzielle Spannungskonzentrationen.

2×2 Twill

4×4 Twill

2×2 Twill ist wahrscheinlich das bekannteste Carbonfaser-Gewebe in der Industrie. Es wird in vielen kosmetischen und dekorativen Anwendungen eingesetzt, bietet aber auch große Funktionalität – es hat sowohl moderate Formbarkeit als auch moderate Stabilität. Wie der Name 2×2 andeutet, geht jeder Tow über 2 Tows und dann unter 2 Tows. Ähnlich geht 4×4 Twill über 4 Tows und dann unter 4 Tows. Es hat etwas mehr Formbarkeit als 2×2 Twill, da das Gewebe nicht so fest ist, aber auch weniger Stabilität.

Harness Satin Weaves (Atlasbindung)

Die Atlasbindung wurde vor tausenden Jahren für die Herstellung von Seidenstoffen mit exzellenten Drapierungseigenschaften entwickelt – glatt und nahtlos. Für Composites bedeutet diese Drapierfähigkeit, dass sie sich leicht formen und um komplexe Konturen wickeln lässt. Da der Stoff so formbar ist, hat er erwartungsgemäß geringe Stabilität. Gängige Harness-Satin-Gewebe sind 4HS, 5HS und 8HS. Mit steigender Satin-Zahl nimmt die Formbarkeit zu und die Gewebestabilität ab.

4HS

5HS

8HS

Die Zahl in den Harness-Satin-Bezeichnungen gibt die Gesamtzahl der Tows an, die über- und untergewebt werden. Bei 4HS geht es über 3 Tows und dann unter 1. Bei 5HS über 4 und unter 1, und 8HS über 7 und unter 1.

Spread Tow vs. Standard Tow

Spread-Tow-Material kann ein guter Kompromiss zwischen unidirektionalem Material und standardmäßig gewebtem Material sein. Wenn ein Faser-Tow auf und ab webt, um ein Gewebe zu bilden, wird die Festigkeit durch den Crimp im Tow reduziert. Erhöht man die Filamentanzahl in einem Standard-Tow, z. B. von 3k auf 6k, wird der Tow dicker und der Crimp-Winkel härter. Ein Weg, dies zu vermeiden, ist, die Filamente in einen breiteren Tow zu spreizen – das nennt man Spread Tow, und es bringt ein paar Vorteile.

Spread Tow bietet einen kleineren Crimp-Winkel als Standard-Tow-Gewebe und kann Crossover-Defekte verringern, indem es die Glätte erhöht. Ein geringerer Crimp-Winkel resultiert in höherer Festigkeit. Spread-Tow-Material ist auch leichter zu verarbeiten als unidirektionales Material und bietet dennoch vernünftig gute Verhinderung von Faserauszug.

Spread Tow Plain Weave

Spread Tow Twill Weave

Unidirektional (UD)

Wie der Name impliziert: uni, also eins – alle Fasern sind in dieselbe Richtung orientiert. Das verleiht unidirektionalem (UD) Gewebe hohe Festigkeitsvorteile. UD-Gewebe ist nicht gewebt – es gibt keine ineinander verzahnten Fasern mit Crimping, die die Struktur schwächen könnten. Stattdessen gibt es kontinuierliche Fasern, die Festigkeit und Steifigkeit erhöhen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, den Layup mit besserer Kontrolle für Performance-Eigenschaften anzupassen. Ein Fahrradrahmen ist ein gutes Beispiel: Der Rahmen muss im Tretlagerbereich steif und rigide sein, um die Kraft des Fahrers auf die Räder zu übertragen, aber auch etwas Nachgiebigkeit und Flex haben, um den Fahrer nicht zu sehr zu beanspruchen. Mit UD-Material können Sie die präzise Faserrichtung wählen, um die benötigte Festigkeit zu erreichen.

Ein großer Nachteil von UD ist seine Verarbeitbarkeit. UD neigt dazu, während des Layup-Prozesses leicht auseinanderzufallen, da es keine ineinander verzahnten Fasern hat, die es zusammenhalten. Wenn Fasern falsch platziert werden, ist es fast unmöglich, sie alle wieder korrekt auszurichten. Auch das Bearbeiten von Teilen aus UD-Gewebe kann Probleme verursachen. Wenn es bei der Bearbeitung zu Faserauszug kommt, können sich diese losen Fasern über das gesamte Teil ziehen. Typischerweise wird, wenn UD-Material für einen Layup gewählt wird, eine Lage gewebtes Material für die erste und letzte Lage verwendet, um Bearbeitbarkeit und Teiledauerhaftigkeit zu unterstützen. Das wird von Hobby-Drohnenrahmen bis hin zu Produktionsraketenteilen so gehandhabt.

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