Kohlefasergewebe erklärt:Arten, Anwendungen und Vorteile

Wenn Sie sich jemals gefragt haben, warum ein Stück Kohlefaser anders aussehen könnte als ein anderes Stück Kohlefaser, sind Sie nicht allein. Kohlefaser gibt es in vielen verschiedenen Webarten und jede dient einem anderen Zweck und ist nicht nur kosmetischer Natur.

Kohlenstofffasern werden aus Vorläufern wie Polyacrylnitril (PAN) und Viskose hergestellt. Die Vorläuferfasern werden chemisch behandelt, erhitzt und gestreckt und anschließend karbonisiert, um hochfeste Fasern zu erzeugen. Diese Fasern oder Filamente werden dann zu Kabeln gebündelt, die anhand der Anzahl der darin enthaltenen Kohlenstofffilamente identifiziert werden. Übliche Schleppgeschwindigkeiten sind 3 km, 6 km, 12 km und 15 km. Das „k“ bezieht sich auf tausend, ein 3k-Kabel besteht also aus 3.000 Kohlenstofffilamenten. Ein standardmäßiges 3k-Kabel ist in der Regel 0,125 Zoll breit, das bedeutet, dass eine Menge Fasern auf kleinem Raum verpackt sind. Ein 6k-Kabel hat 6.000 Kohlenstofffilamente, ein 12k-Kabel hat 12.000 Filamente usw. Diese große Anzahl hochfester, gebündelter Fasern macht Kohlenstofffasern zu einem so starken Material.

Gewebte Kohlefaser

Kohlefaser liegt typischerweise in Form eines gewebten Stoffes vor, was die Verarbeitung erleichtert und je nach Anwendung zusätzliche strukturelle Festigkeit verleihen kann. Aus diesem Grund werden für Kohlefasergewebe viele verschiedene Webarten verwendet. Am gebräuchlichsten sind Uni-, Twill- und Harness-Satin, auf die wir näher eingehen.

Leinwandbindung

Eine einfach gewebte Kohlefaserplatte sieht symmetrisch aus und hat ein kleines Schachbrettmuster. Bei dieser Webart sind die Stränge in einem Über/Unter-Muster gewebt. Die kurzen Verflechtungsabstände verleihen der Leinwandbindung eine hohe Stabilität. Unter Stoffstabilität versteht man die Fähigkeit eines Stoffes, seinen Webwinkel und seine Faserorientierung beizubehalten.  Aufgrund dieser hohen Stabilität eignet sich Uni nicht gut für Lagen mit komplexen Konturen, da es nicht so biegsam ist wie einige andere Webarten. Im Allgemeinen eignen sich Stoffe mit Leinwandbindung für flache Bahnen, Schläuche und 2D-Kurven.

Ein Nachteil dieses Webmusters ist die starke Kräuselung (der Winkel, den die Faser beim Weben bildet, siehe unten) in den Strängen aufgrund des kurzen Abstands zwischen den Verflechtungen. Durch die harte Crimpung können Spannungskonzentrationen entstehen, die das Teil mit der Zeit schwächen können.

Twill-Webart

Twill dient als Brücke zwischen einer Leinwandbindung und den Satinbindungen, die wir als Nächstes besprechen werden. Twill hat eine gute Geschmeidigkeit und kann komplexe Konturen formen, und seine Stoffstabilität bleibt besser erhalten als eine Satinbindung, aber nicht so gut wie eine Leinwandbindung. Wenn Sie einem Wergstrang in einer Köperbindung folgen, verläuft er über eine festgelegte Anzahl von Wergfäden und dann unter der gleichen Anzahl von Wergfäden hindurch. Das Über/Unter-Muster erzeugt eine diagonale Pfeilspitzenoptik, die als „Twill-Linie“ bekannt ist. Der längere Abstand zwischen den beiden Verflechtungen bedeutet weniger Kräuselungen im Vergleich zu einer Leinwandbindung und weniger potenzielle Spannungskonzentrationen.

2×2 Twill

4×4 Twill

2×2 Twill ist wahrscheinlich das bekannteste Carbonfasergewebe der Branche. Es wird in vielen kosmetischen und dekorativen Anwendungen verwendet, verfügt aber auch über eine hervorragende Funktionalität, da es sowohl eine mäßige Formbarkeit als auch eine mäßige Stabilität aufweist. Wie der 2×2-Name schon sagt, verläuft jeder Schleppzug über zwei Schleppzüge und dann unter zwei Schleppzügen hindurch. In ähnlicher Weise fährt ein 4×4 Twill über 4 Schleppseile und dann unter 4 Schleppseilen hindurch. Es lässt sich etwas besser formen als 2×2 Twill, da das Gewebe nicht so dicht ist, aber es hat auch eine geringere Stabilität.

Harness-Satingewebe

Das Satingewebe wurde vor Tausenden von Jahren entwickelt, um Seidenstoffe mit hervorragenden Drapierungseigenschaften herzustellen, die gleichzeitig glatt und nahtlos aussehen. Bei Verbundwerkstoffen bedeutet diese Drapierbarkeit, dass sich komplexe Konturen leicht formen und umwickeln lassen. Da der Stoff so formbar ist, weist er erwartungsgemäß eine geringe Stabilität auf. Übliche Bindungssatinbindungen sind 4-Harness-Satin (4HS), 5-Harness-Satin (5HS) und 8-Harness-Satin (8HS). Wenn Sie die Anzahl der Satinbindungen erhöhen, nimmt die Formbarkeit zu und die Stoffstabilität ab.

4HS

5HS

8HS

Die Zahl in den Namen des Harness Satin gibt die Gesamtzahl der Schleppseile an, die darüber und darunter geführt werden. Bei 4HS überquert es 3 Schleppseile und dann unter 1. Bei 5HS überfährt es 4 und dann unter 1, und 8HS überfährt 7 und unter 1.

Spread Tow vs. Standard Tow

Spread-Tow-Material kann einen guten Kompromiss zwischen der Verwendung von unidirektionalem Material und standardmäßig gewebtem Material darstellen. Wenn sich ein Faserkabel auf- und abwebt, um ein Gewebe zu bilden, verringert sich die Festigkeit aufgrund der Kräuselung im Kabel. Wenn Sie die Anzahl der Filamente in einem Standardkabel erhöhen, beispielsweise von 3k auf 6k, wird das Kabel größer (dicker) und der Kräuselwinkel wird härter. Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, besteht darin, die Filamente zu einem breiteren Kabel zu verteilen. Dies wird als gespreiztes Kabel bezeichnet und bietet dadurch einige Vorteile.

Das gespreizte Kabel bietet einen kleineren Kräuselwinkel als ein Standard-Kabelgewebe und kann die Überkreuzungsdefekte verringern, indem es die Glätte erhöht. Ein geringerer Crimpwinkel führt zu einer höheren Festigkeit. Gespreiztes Tow-Material ist auch einfacher zu verarbeiten als unidirektionales Material und bietet dennoch eine einigermaßen gute Verhinderung des Hochziehens der Fasern.

Spread Tow Leinwandbindung

Spread Tow Twill-Webung

Unidirektional

Wie der Name schon sagt, uni, was „eins“ bedeutet, sind alle Fasern in die gleiche Richtung ausgerichtet. Dies verleiht dem unidirektionalen (UD) Gewebe einige hohe Festigkeitsvorteile. UD-Gewebe ist nicht gewebt, es gibt keine verflochtenen Fasern mit Kräuselung, die die Struktur schwächen könnten. Vielmehr gibt es Endlosfasern, die die Festigkeit und Steifigkeit erhöhen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, das Layup mit besserer Kontrolle an die Leistungsmerkmale anzupassen. Ein Fahrradrahmen ist ein gutes Beispiel dafür, wie UD-Gewebe zur Optimierung der Leistung verwendet werden kann. Der Rahmen muss im Tretlagerbereich steif und steif sein, um die Kraft des Fahrers auf die Räder zu übertragen, aber der Rahmen muss auch eine gewisse Nachgiebigkeit und Flexibilität aufweisen, um den Fahrer nicht zu belasten. Bei UD-Material können Sie die genaue Richtung der Fasern auswählen, um die erforderliche Festigkeit zu erzielen.

Ein großer Nachteil von UD ist jedoch seine Verarbeitbarkeit. UD neigt während des Laminierungsprozesses dazu, leicht auseinanderzufallen, da es keine verflochtenen Fasern hat, die es zusammenhalten. Wenn die Fasern falsch platziert sind, kann es fast unmöglich sein, sie alle wieder richtig auszurichten. Auch die Bearbeitung von Teilen aus UD-Gewebe kann Probleme verursachen. Wenn an der Stelle, an der die Merkmale geschnitten wurden, Fasern nach oben ziehen, können diese losen Fasern über das gesamte Teil nach oben gezogen werden. Wenn UD-Material für eine Schichtung ausgewählt wird, wird in der Regel eine Schicht aus gewebtem Material für die erste und letzte Schicht verwendet, um die Bearbeitbarkeit und Haltbarkeit des Teils zu verbessern. Dies gilt für Hobby-Drohnenrahmen bis hin zu Serienraketenteilen. Wenn Ihnen dieser Beitrag gefallen hat oder Sie weitere Fragen haben, hinterlassen Sie bitte unten einen Kommentar.   Quellen und Referenzseiten:https://store.acpsales.com/products/3495/woven-fabric-style-guide