Kohlefaser erklärt:Eigenschaften, Verwendung und 3D-Druckanwendungen

Kohlefaser, auch Graphitfaser oder Kohlenstoffgraphit genannt, ist in mehreren Branchen zu einem festen Bestandteil geworden, und das aus gutem Grund. Aber wir werden in der Einleitung nicht alles verraten:Lesen Sie weiter, um herauszufinden, was dieses Material ist, welche Arten es gibt und wofür es verwendet wird.

Was ist Kohlefaser?

Kohlefaser ist eine Gewebematte aus gewebten Fasern und wird sowohl als Verbundkunststoff als auch als faserverstärkter Kunststoff klassifiziert. Es besteht zu 90 % aus Polyacrylnitril (dem Kohlenstoffvorläufer) und zu 10 % aus anderen Vorläufern wie Pech oder Zellulose. Dieses Material wird durch Karbonisierung, Oxidation oder Graphitisierung hergestellt. Es wird zunächst in die gewünschte Form geschnitten, mit Harz imprägniert und anschließend mit einer der oben genannten Methoden verarbeitet. Nach dem Aushärten entsteht ein leichtes und unglaublich starkes Material mit einem beeindruckenden Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. 

Die hohe Hitzetoleranz dieser Faserart inspirierte Sir Joseph Wilson Swan im Jahr 1860 dazu, sie für eine Glühbirne zu verwenden. Damals waren Kohlefaserfilamente nicht so stark wie heute, und als Wolfram auf die Bühne kam, übernahm es im Wesentlichen die Abteilung für die Herstellung von Glühbirnen. Mehr als 50 Jahre vergingen, ohne dass Kohlefaser wirklich für irgendetwas verwendet wurde, aber in den 1960er Jahren kam eine stärkere Version auf den Markt, und Rolls-Royce kaufte sie für seine Düsentriebwerke – trotz der Sprödigkeit.

Die heute in der Fertigung verwendeten Kohlefasern haben eine Zugfestigkeit von etwa 4.000 MPa und einen hohen Modul von 400 GPa, was sie für eine ganze Reihe von Dingen nützlich macht (nicht nur für Glühbirnen). Es ist kriech-, ermüdungs-, chemikalien- und korrosionsbeständig sowie nicht brennbar und ungiftig. Bei richtiger Behandlung kann es elektrisch leitfähig sein.

Dieses Material ist unglaublich teuer. Es ist sowohl leichter als auch stärker als Stahl, aber seine hohen Kosten halten Hersteller davon ab, es zu verwenden, es sei denn, es ist absolut notwendig (so ähnlich wie der teure Duft, den man für besondere Anlässe aufhebt). Aber jetzt ist der Preis für Kohlefaser gesunken und ihr Verbrauch gestiegen! Die Tage des Wartens auf hochkarätige Aufgaben bei der Kohlefaser sind vorbei; Mittlerweile wird es zu Werkzeugen und Befestigungsmitteln, Federn und Drähten verarbeitet und kann sogar zur Verstärkung von Reifen verwendet werden.

Was ist der andere Begriff für Kohlefaser?

Kohlenstofffasern können auch als Graphitfasern oder Kohlenstoffgraphit bezeichnet werden. Es kann unter den Oberbegriffen Verbund- oder faserverstärkter Kunststoff bezeichnet werden. Der Begriff Verbundwerkstoff wird verwendet, um ein Material zu beschreiben, das eine Matrix und eine Verstärkung aufweist. Bei Kohlenstofffasern ist die Faser die Verstärkung und das Harz die Matrix. Als faserverstärkter Kunststoff werden Glasfaser- und Aramid-Verbundwerkstoffe sowie Kohlefasern bezeichnet. 

Wann wurde die Kohlefaser erfunden?

Kohlenstofffasern wurden erstmals 1860 von Sir Joseph Wilson Swan für den Einsatz in Glühbirnen entwickelt, da diese Fasern eine sehr hohe Hitzetoleranz aufwiesen. Allerdings waren Kohlefaserfilamente damals nicht sehr stark. Als also Wolfram in Glühbirnen verwendet wurde, hatte Kohlefaser über 50 Jahre lang keine Verwendung mehr. In den 1960er Jahren konnten dann stärkere Kohlenstofffasern für den Einsatz in Flugzeugtriebwerken von Rolls-Royce hergestellt werden. Aufgrund der spröden Eigenschaften der Kohlefaser war ihr Einsatz jedoch lange Zeit begrenzt. Seitdem ist die Carbonfaserproduktion deutlich effektiver geworden. Kohlenstofffasern haben heute eine Zugfestigkeit im Bereich von 4.000 MPa und einen Modul von 400 GPa, was ihr viele weitere Anwendungen eröffnet.

Woraus besteht Kohlefaser?

Die Oxidation, Karbonisierung und Graphitisierung des Kohlenstoffvorläufers Polyacrylnitril macht 90 % des Kohlenstofffasermaterials aus. Die anderen 10 % der verwendeten Vorläufer stammen entweder aus Pech oder Zellulose. 

Was sind die Eigenschaften von Kohlefaser? 

Die nichtmechanischen Eigenschaften von Kohlefaser sind:

1. Elektrisch leitfähig
2. Korrosionsbeständig
3. Nicht brennbar 
4. Ungiftig 

Was sind die mechanischen Eigenschaften von Kohlefaser?

Zu den mechanischen Eigenschaften von Kohlefaser gehören:

1. Leicht
2. Hohe Festigkeit
3. Kriechfest
4. Ermüdungsbeständig
5. Hoher Modul 
6. Brüchigkeit

Die Häufigkeit, mit der eine Faser über und unter andere Fasern verläuft, wird als Kräuselung bezeichnet. Je höher die Kräuselung, desto höher im Allgemeinen ihre Stabilität. Aber stark gekräuselte Kohlefaser bedeutet, dass das Material nicht sehr flexibel ist (sogenannte Drapierbarkeit), um komplizierte Formen oder Geometrien zu bilden.

Wie stark ist Kohlefaser?

Kohlenstofffasern werden in die Kategorien Standard, mittlere, hohe und ultrahohe Modulqualität eingeteilt und haben eine Zugfestigkeit von 3,55 GPa.

Ist Kohlefaser schwer?

Nein, Kohlefaser ist nicht schwer. Kohlefaser ist sehr leicht, was neben ihrer Festigkeit eine ihrer beiden begehrtesten Eigenschaften ist. Das Gewicht der Kohlefaser hängt von der Anzahl der Fasern pro cm2 und dem zum Binden verwendeten Harz ab. Ein einfaches Köpergewebe aus Kohlefaser ohne Harz wiegt beispielsweise 210 g/m2 und ist nur 0,28 mm dick. Zum Vergleich:Stahl hat bei einer Dicke von 0,5 mm ein Gewicht von 4 kg/m2.

Was sind die chemischen Eigenschaften von Kohlenstofffasern?

Die chemischen Eigenschaften von Kohlefaser sind: 

1. Chemikalienbeständig
2. Ungiftig 
3. Nicht brennbar 

Was sind die verschiedenen fortgeschrittenen Anwendungen von Kohlefaser?

Aufgrund ihres hohen Preises werden Kohlefasern derzeit nur in Hochleistungsanwendungen verwendet, von denen wir unten einige auflisten.

1. Luft- und Raumfahrtindustrie

Aufgrund seines geringen Gewichts eignet sich Kohlefaser für Flugzeugrümpfe, Leitwerke, Nasenkegel und Rotorblätter. Wenn diese Teile aus diesem Material hergestellt werden, kann das Flugzeuggewicht um bis zu 20 % reduziert werden, was zu Treibstoffeinsparungen in Millionenhöhe führt. 

2. Sportartikel

Es wird verwendet, um leichtere, stärkere und sich schneller bewegende Tennisschläger, Skier, Snowboards, Fahrräder und Golfschläger herzustellen. Seien Sie einfach bereit, viel mehr für Sportgeräte aus Kohlefaser auszugeben.

3. Medizinische Geräte

Röntgengeräte und Implantate werden hauptsächlich aus Kohlenstofffasern hergestellt, weil sie strahlendurchlässig sind (Röntgenstrahlen können leicht durch sie hindurchdringen). Es ist außerdem verschleißfest und hat eine ähnliche Steifigkeit wie menschlicher Knochen. Im Gegensatz zum Metall, das in einigen Implantaten verwendet wird, ist Kohlefaser spröde und könnte brechen.

4. Energiespeichersystem

Pläne für Batteriespeicher aus Kohlefaser sind in Arbeit, die das Gewicht von Elektroautos deutlich reduzieren könnten.

5. Bauingenieurwesen

Kohlefaser erfreut sich bei Brücken und Betonkonstruktionen, bei denen Festigkeit wichtiger ist als Gewicht, immer größerer Beliebtheit. Da es bis zu zehnmal stärker als Stahl sein kann, wird es bevorzugt, ist aber, wie wir festgestellt haben, viel teurer in der Verwendung.

6. Meerestechnologie

Da der Preis für Kohlefaser sinkt, beginnt sie, die Verwendung von Glasfaser in Yachten und kleinen Booten zu ersetzen. 

7. Militär- und Wehrtechnik

Aus diesem Material können Drohnen, Hubschrauber, Jets und Transportflugzeuge hergestellt werden. Das Design von Helmen ist im Laufe der Jahre deutlich komplexer geworden, was sie auch schwerer macht. Kohlefaser ist hier, um die Lage zu retten (aber es gibt immer noch das Problem, dass Schäden nur schwer erkannt werden können).

Ein Nachteil ist jedoch der sogenannte kaum sichtbare Aufprallschaden. Grundsätzlich ist es schwierig, Schäden an diesem Material mit bloßem Auge zu erkennen, sodass die Prüfung auf Fehler umfangreiche Schulungen und Tests erfordert. Dieser Faktor betrifft die meisten der oben genannten Branchen, insbesondere aber Luft- und Raumfahrt, Energie, Schifffahrt und Militär.

Wie können Kohlefasern zusammen mit dem 3D-Druck genutzt werden?

Kohlefaser ist mit dem 3D-Druck kompatibel. Es kann entweder als durchgehende Faserschicht verwendet oder als kurze Stränge im Filament eines FDM-Druckers (Fused Deposition Modeling) gedruckt werden. Wenn Sie mit einer Endlosfaser drucken möchten, benötigt der Drucker zwei Druckköpfe:einen für das Kunststofffilament und einen für die Kohlefaser. Wenn Sie gehackte Stränge in das Filament einbetten, können Sie die Festigkeit und Steifigkeit der gedruckten Teile verbessern, ohne dass es zu einem Bankrott kommt. Durch die Verwendung dieses Materials im 3D-Druck können Sie Teile herstellen, die für strukturelle Zwecke verwendet werden können, da sie viel stärker sind als das typische PLA und ABS, das im 3D-Druck verwendet wird. Mit Kohlefaser können Teile in ihrer Festigkeit mit Materialien wie Aluminium verglichen werden.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet teilweise 3D-gedruckte Kohlefaserteile. Aufgrund von Sicherheitsbestimmungen müssen alle neuen Technologien oder Materialien umfangreiche Tests und Qualifizierungen durchlaufen, bevor sie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Derzeit ist es jedoch keine Seltenheit, Teile für Halterungen und Spezialwerkzeuge aus 3D-gedruckten Kohlefasern zu finden. Unternehmen müssen sich auch nicht mit riesigen Vorlaufzeiten herumschlagen.

Häufig gestellte Fragen zu Kohlefaser

Wie werden beim 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrtindustrie Kohlefasern verwendet, um unterschiedliche Teile herzustellen?

Derzeit ist der 3D-Druck mit Kohlefaser in der Luft- und Raumfahrtindustrie begrenzt. Der Einsatz neuer Materialien und Verfahren erfordert vor dem Einsatz in der Luft- und Raumfahrt eine umfassende Qualifizierung. Viele Luft- und Raumfahrtunternehmen verwenden jedoch 3D-gedruckte Kohlefaserteile für Halterungen und Spezialwerkzeuge. Mithilfe des 3D-Drucks werden limitierte Produktionsteile hergestellt, die sonst lange Vorlaufzeiten hätten. Viele Reparatur- und Wartungsaufgaben erfordern Spezialwerkzeuge, was hohe Kosten und lange Vorlaufzeiten mit sich bringt. Mit 3D-gedruckten Kohlefasern werden jetzt Vorlaufzeiten und Kosten drastisch gesenkt.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zum 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt.

Was ist der Vorteil von Kohlefaser im Vergleich zu anderen 3D-gedruckten Materialien?

Der Vorteil von Kohlefaser-gedruckten Teilen ist die höhere Festigkeit im Vergleich zu anderen 3D-gedruckten Materialien. Die meisten 3D-gedruckten Teile bestehen aus PLA oder ABS, die relativ schwach sind, was bedeutet, dass die Teile nicht für strukturelle Zwecke verwendet werden können. Bei 3D-gedruckten Kohlefasermaterialien ist die Festigkeit jedoch mit der von Aluminium vergleichbar. Dies eröffnet viele Anwendungsmöglichkeiten für die Verwendung von 3D-gedruckten Teilen.

Ist Kohlefaser stärker als Stahl?

Ja, Kohlefaser ist stärker als Stahl, wenn man ihr jeweiliges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht vergleicht. Während sowohl Stahl als auch Kohlefaser einen Elastizitätsmodul von 200 GPa haben, ist Stahl fünfmal schwerer als Kohlefaser. Dieses hohe Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist der Grund, warum Kohlefaser in vielen Anwendungen bevorzugt sein kann.

Ist Kohlefaser stärker als Aluminium?

Ja, Kohlefaser ist viel stärker als Aluminium. Aluminium kann bis zu 570 MPa erreichen, während Kohlenstofffasern mit ultrahohem Modul eine Zugfestigkeit von über 5,5 GPa erreichen können.

Was ist der Unterschied zwischen Kohlefaser und Kohlefaser-3D-Filament?

Sowohl herkömmliche Kohlefasern als auch 3D-gedruckte Kohlefasern erhöhen die Festigkeit und sind leicht, die Art der Anwendung ist jedoch sehr unterschiedlich. Traditionell handelt es sich bei Kohlefaser um eine gewebte Fasermatte, auf die ein Harz aufgetragen und dann ausgehärtet wird. Herkömmliche Kohlefasern werden normalerweise zu größeren Platten und Rohrabschnitten verarbeitet, können aber auch zu Halterungen verarbeitet werden. 3D-gedruckte Kohlenstofffasern werden entweder in Mikrostränge geschnitten und einem Filament hinzugefügt, aus dem sie zu einem Teil mit normalerweise komplexer Geometrie gedruckt werden, oder sie werden als einzelner kontinuierlicher Strang in diskreten Schichten eines 3D-gedruckten Teils gedruckt.

Kat de Naoum

Kat de Naoum ist eine Autorin, Autorin, Redakteurin und Content-Spezialistin aus Großbritannien mit mehr als 20 Jahren Erfahrung als Autorin. Kat hat Erfahrung als Autorin für verschiedene Fertigungs- und Technikunternehmen und liebt die Welt des Ingenieurwesens. Neben ihrer Tätigkeit als Schriftstellerin war Kat fast zehn Jahre lang als Rechtsanwaltsgehilfin tätig, davon sieben Jahre in der Schiffsfinanzierung. Sie hat für zahlreiche Publikationen geschrieben, sowohl in gedruckter Form als auch online. Kat hat einen BA in englischer Literatur und Philosophie sowie einen MA in kreativem Schreiben von der Kingston University.

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