Carbonfaser erklärt: Eigenschaften, Anwendungen & 3D-Druck-Einsatz

Carbonfaser (auch Graphitfaser, Kohlenstofffaser) ist in vielen Sektoren beliebt – aus gutem Grund. Lesen Sie, was dieses Material ausmacht, welche Typen es gibt und wofür es eingesetzt wird.

Was ist Carbonfaser?

Carbonfaser ist ein Gewebe aus gewobenen Fasern, klassifiziert als Verbundwerkstoff (Composite) und faserverstärkter Kunststoff. Zusammensetzung: 90 % Polyacrylnitril (PAN, Kohlenstoffvorläufer), 10 % andere Vorläufer (Pitch, Zellulose). Herstellung: Karbonisierung, Oxidation oder Graphitisierung. Prozess: Zuschneiden → Harzimprägnierung → thermische Behandlung (eines der Verfahren). Ausgehärtet: extrem leichtes, hochfestes Material mit exzellentem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis.

Hohe Hitzetoleranz inspirierte Sir Joseph Wilson Swan 1860 für Glühlampenfäden. Damals noch nicht so fest – Wolfram verdrängte Carbon. 50+ Jahre Ruhe, dann 1960er: stärkere Fasern, Rolls-Royce für Strahltriebwerke (trotz Sprödigkeit). Heutige Carbonfaser: Zugfestigkeit ~4.000 MPa, E-Modul ~400 GPa → vielfältige Anwendungen. Kriechfest, ermüdungsfest, chemisch & korrosionsbeständig, nicht brennbar, ungiftig. Mit Behandlung elektrisch leitfähig.

Infam teuer. Leichter & fester als Stahl, aber hoher Preis schreckt ab (wie teures Parfum für besondere Anlässe). Preis gesunken, Nutzung gestiegen! Heute: Werkzeuge, Befestigungen, Federn, Drähte, Reifenverstärkung.

Weitere Bezeichnungen

Graphitfaser, Kohlenstofffaser. Oberbegriffe: Composite, faserverstärkter Kunststoff. Composite = Matrix + Verstärkung. Bei Carbonfaser: Faser = Verstärkung, Harz = Matrix. Faserverstärkter Kunststoff umfasst auch Glas- & Aramidfasern.

Erfindung & Historie

1860: Sir Joseph Wilson Swan, Glühlampenfäden (hohe Hitzetoleranz). Damals schwach → Wolfram übernahm. 50+ Jahre Pause. 1960er: stärkere Fasern, Rolls-Royce für Jet-Triebwerke (Sprödigkeit limitierte Nutzung). Seither: Produktion effizienter. Heute: Zugfestigkeit ~4.000 MPa, Modul 400 GPa → breite Anwendung.

Zusammensetzung

90 %: Oxidation, Karbonisierung, Graphitisierung von PAN. 10 %: Pitch- oder Zellulosevorläufer.

Nicht-mechanische Eigenschaften

Elektrisch leitfähig (mit Behandlung)
Korrosionsbeständig
Nicht brennbar
Ungiftig

Mechanische Eigenschaften

Leicht
Hohe Festigkeit
Kriechfest
Ermüdungsfest
Hoher E-Modul
Spröde

Krimp (Crimp): Anzahl Über-/Unterkreuzungen der Fasern. Höherer Krimp → höhere Stabilität, aber geringere Drapierfähigkeit (Formbarkeit komplexer Geometrien).

Wie stark ist Carbonfaser?

Kategorien: Standard, Intermediär, High, Ultra-High Modulus. Zugfestigkeit ab 3,55 GPa.

Ist Carbonfaser schwer?

Nein, extrem leicht – eine der zwei begehrtesten Eigenschaften (neben Festigkeit). Gewicht hängt von Faseranzahl/cm² & Bindemittelharz ab. Beispiel: Plain-Twill-Gewebe ohne Harz: 210 g/m², 0,28 mm Dicke. Zum Vergleich: Stahl 0,5 mm = 4 kg/m².

Chemische Eigenschaften

Chemikalienbeständig
Ungiftig
Nicht brennbar

Fortgeschrittene Anwendungen

Wegen hohem Preis aktuell nur High-Performance-Anwendungen:

1. Luft- & Raumfahrt

Rumpf, Leitwerk, Nasenkonen, Rotorblätter. Gewichtsreduktion bis 20 % → Millionen Kraftstoffeinsparung.

2. Sportartikel

Leichtere, festere, schnellere Tennisschläger, Ski, Snowboards, Fahrräder, Golfschläger. Deutlich teurer.

3. Medizintechnik

Röntgengeräte, Implantate (radiolucent – Röntgenstrahlen passieren). Verschleißfest, Steifigkeit ähnlich menschlichem Knochen. Aber: spröde → kann splittern (vs. Metall).

4. Energiespeicher

Carbonfaser-Batteriespeicher in Entwicklung → drastische Gewichtsreduktion bei E-Autos.

5. Bauwesen

Brücken, Betonstrukturen wo Festigkeit > Gewicht. Bis 10× fester als Stahl, aber teurer.

6. Maritim

Preisrückgang → ersetzt Glasfaser in Yachten/Kleinbooten.

7. Militär & Verteidigung

Drohnen, Hubschrauber, Jets, Transporter. Helme: komplexer/schwerer geworden → Carbonfaser rettet Gewicht. Problem: Beschädigungserkennung schwer (s. u.).

Nachteil: Barely Visible Impact Damage (BVID). Schäden mit bloßem Auge kaum sichtbar → aufwändige Prüfung/Training nötig. Betrifft alle o. g. Branchen, besonders Aerospace, Energie, Maritim, Militär.

Carbonfaser im 3D-Druck

Kompatibel mit 3D-Druck. Zwei Ansätze:
1. Endlosfaser: Drucker braucht 2 Druckköpfe (1× Kunststofffilament, 1× Carbonfaser).
2. Kurzfasern (Chopped): In Filament eingebettet (FDM). Verbessert Festigkeit & Steifigkeit ohne Kostenexplosion.
Ergebnis: Teile für strukturelle Zwecke nutzbar – weit stärker als typisches PLA/ABS. Festigkeit vergleichbar mit Aluminium.

Luftfahrt nutzt 3D-gedruckte Carbonfaserteile bereits (Haltere, Spezialwerkzeuge). Sicherheitsvorschriften erfordern umfangreiche Qualifizierung neuer Materialien/Technologien. Vorteil: keine langen Lieferzeiten.

FAQ: Carbonfaser

3D-Druck in Aerospace mit Carbonfaser?

Aktuell begrenzt. Neue Materialien/Prozesse brauchen umfangreiche Qualifizierung. Aber: Haltere, Spezialwerkzeuge aus 3D-Carbonfaser üblich. Reparatur-/Wartungswerkzeuge (teuer, lange Lieferzeiten) → 3D-Carbonfaser senkt Kosten & Lieferzeiten drastisch. Mehr im Leitfaden 3D-Druck in der Luftfahrt.

Vorteil vs. andere 3D-Druckmaterialien?

Deutlich höhere Festigkeit. PLA/ABS = relativ schwach → keine strukturelle Nutzung. 3D-Carbonfaser ≈ Aluminium-Festigkeit → eröffnet strukturelle Anwendungen für 3D-Druckteile.

Stärker als Stahl?

Ja, beim spezifischen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Beide ~200 GPa E-Modul, aber Stahl 5× schwerer → Carbonfaser in gewichtskritischen Anwendungen überlegen.

Stärker als Aluminium?

Ja, deutlich. Alu bis ~570 MPa, Ultra-High-Modulus-Carbon > 5,5 GPa Zugfestigkeit.

Unterschied: Carbonfaser vs. Carbonfaser-3D-Filament?

Beide: Festigkeit & Leichtbau. Anwendung völlig anders:
Traditionell: Gewebte Matte, Harzimprägnierung, Aushärten → große Platten, Rohre, auch Haltere.
3D-Druck: Kurzfasern in Filament (komplexe Geometrien) ODER Endlosfaser in diskreten Schichten.

Kat de Naoum
Autorin, Editorin, Content-Spezialistin (UK), 20+ Jahre technisches Schreiben, Ingenieurwesen. Paralegal 10 Jahre (Schiffsfinanzierung). BA Engl. Lit. & Philosophie, MA Creative Writing (Kingston Univ.).