angebot jetzt einholen
Hintsteiner Group GmbH-1

Die wichtigsten Gründe, warum Carbon die Wehrtechnik erobert

by Rosenmaier Armin

Die Herstellung von Wehrtechnik-Komponenten gleicht einem Balanceakt, denn ihr Konzeptions- und Fertigungsprozess ist von der Herausforderung bestimmt, die Faktoren Sicherheit, Beständigkeit, Belastbarkeit und Leichtigkeit ins perfekte Gleichgewicht zu setzen. Metalle, wie Stahl und Aluminium-Legierungen, galten zwar lange als Antwort auf die Anforderungen der Wehrtechnik, können den Zielkonflikt zuvor genannter Faktoren letztendlich aber nicht lösen, denn Sicherheit, Belastbarkeit und Beständigkeit gehen hier wesentlich zu Lasten des Gewichts. Gerade aber die Reduktion des Gewichts zählt heutzutage zu den Schlüsselanforderungen moderner Entwicklungen in der Wehrtechnik. Aufgrund dessen wird innovativen Faserverbundwerkstoffen, wie Carbon, Aramid, Basalt, Vectran oder Zylon immer mehr Aufmerksamkeit von der Rüstungsindustrie zu teil.

CFK Struktur-2Abbildung 1: Strukturkomponenten aus Faserverbundwerkstoffen für High-Energy-Laser
(MBDA Missile Systems)

Branchenführer haben die Entwicklung längst erkannt und setzen schon heute auf die Innovationskraft von Composites. Vor allem das Hochleistungs-Composite Carbon rückt dabei aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften vermehrt in den Fokus. Warum es sich in der Wehrtechnik lohnt auf Leichtbaukonstruktionen aus Carbon umzusteigen, ist dabei einfach erklärt:

Inhaltsverzeichnis:
1. Carbon ist ein wahres Leichtgewicht
2. Carbon bietet enorme Gestaltungsfreiheit
3. Carbon beweist Durchhaltevermögen 
4. Carbon ist resistent gegen Chemikalien
5. Carbon schützt vor elektromagnetischer Strahlung
6. Carbon ist belastungserprobt
7. Carbon rechnet sich
8. Carbon ist ein wahrer Allrounder
9. Fazit

Carbon ist ein wahres Leichtgewicht

Im Motorsport sind die Vorzüge von Composites längst bekannt und tausendfach bewährt. Der Einsatz von Carbon ermöglicht nicht nur die Realisierung von aerodynamischen Formen, welche mit anderen Werkstoffen und Verfahren kaum herstellbar sind, sondern auch eine deutliche Reduktion des Teile- und Gesamtgewichts. Durch den Einsatz von neuen Lösungen aus Carbon können im Vergleich zu Aluminium-Komponenten bis zu 50% des Gewichtes eingespart werden. Im Vergleich zu Stahl-Komponenten sind es sogar bis zu 80%. Demnach setzt Carbon die gewichtstechnische Messlatte mit einer Dichte von 1,5 g/cm³ gegenüber von Aluminium mit 2,8 g/cm³ und Stahl mit 7,8 g/cm³ deutlich nach unten.

Lightweight Launchersysteme MBDA
Abbildung 2: Mobilitätssteigerung durch extrem leichte Launchersysteme (MBDA Missile Systems)

In der Wehrtechnik kommt dieser Materialvorteil nicht nur bei Ausrüstungskomponenten, sondern auch bei Nutz- und Aufklärungsfahrzeugen, Launcher- und Drehgestell-Systemen sowie Plattformen zum Tragen: Die Gewichtsreduktion durch Leichtbauteile aus Carbon ermöglicht eine raschere Beschleunigung, größere Agilität, höhere Präzision, kürzere Bremswege und deutliche Einsparungen bei den Treibstoffkosten. Zudem ist militärische Infrastruktur, wie auch Soldatenequipment leichter zu transportieren und hantieren. Die Mobilität von Einsatztruppen wird somit wesentlich gesteigert.

Carbon bietet enorme Gestaltungsfreiheit

Als hochinnovative Werkstoffe vergrößern Composites den Konstruktions- und Design-Spielraum und damit die Innovationskraft. Im Gegensatz zu klassischen Fertigungsverfahren und Materialien sind komplexe Geometrien, wie Hinterschneidungen mit Faserverbundtechnologie vergleichsweise einfach zu realisieren. Beschränkungen durch die Einhaltung von Biegeradien oder Wandstärken werden bei der Arbeit mit Carbon ebenso wenig zum Problem, wie der Zwang zur Anwendung von Rippenkonstruktionen.

Neue Standards setzen Composites aber auch in Hinblick auf die Bauteilgröße: Denn bei der Fertigung von Carbonkomponenten anhand der Prepreg-Autoklaven-Technik können größere Komponenten realisiert werden, als im Feingussverfahren. Auch die Anzahl der für Wärmeausdehnung anfälligen Schweißverbindungen reduziert sich somit deutlich.

3Dscanning lightweight partAbbildung 3: 3D-Scanning eines Strukturbauteils aus Carbon mit komplexer Geometrie

Carbon beweist Durchhaltevermögen

Faserverbundwerkstoffe überzeugen aber nicht nur hinsichtlich ihres Gewichts – auch ihre Beständigkeit und Belastbarkeit machen sie zum idealen Werkstoff für Wehrtechnik Komponenten: Carbon ist nicht nur vier Mal belastbarer als Aluminium, sondern zeichnet sich insgesamt auch durch eine hohe Steifigkeit und Schwingfestigkeit, kaum messbare Wärmeausdehnung (von 10-6*K-1) sowie einer hohen Dauertemperatur- und Korrosionsbeständigkeit aus. Damit eigenen sich Composites perfekt für den Einsatz in Umgebungen mit widrigen Bedingungen und großen Temperaturschwankungen, aber auch für Marine-Komponenten, die in ständigem Kontakt mit Salzwasser stehen.

Dass kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe kein Dauerbruchverhalten wie Aluminium aufweisen, das bei Dauerbelastung zu Sprüngen tendiert, ist nur ein weiteres Argument, das für die Fertigung aus Composites spricht. Auch Beschuss verkraftet Carbon besser als Metallguss. Während sich in letzterem rasch Risse um entstandene Löcher bilden, sind Composites-Bauteile auch in diesem Fall gegen Bauteilversagen gewappnet und wieder instandsetzbar.

Vergleich Alu CarbonAbbildung 4: Die mechanischen Eigenschaften von Carbon im Gegensatz zu Dural-Aluminium

 

Carbon ist resistent gegen Chemikalien

Auch die chemische Beständigkeit des Materials spricht für dessen Einsatz in der Wehrtechnik. Carbon ist demnach weitestgehend resistent gegen aggressive Chemikalien und Korrosion, was zu einer erhöhten Lebensdauer der unterschiedlichsten wehrtechnischen Komponenten führt. Beständig zeigen sich kohlefaserverstärkte Kunststoffe somit gegenüber von ätzenden Substanzen wie Phosphor- und Essigsäure, Schwefeldioxidgas trocken, Methanol, Ethanol, Chloroform, Mineralölen, Benzin und Salzsäure.

Zudem ist Carbon biokompatibel. Die Biokompatibilität bezeichnet den nicht vorhandenen negativen Einfluss von Werkstoffen auf Lebewesen und ihre Umgebung. Diese Eigenschaft ist vor allem bei Komponenten, welche von Einsatzkräften nahe am Körper getragen werden von großer Bedeutung.

Carbon schützt vor elektromagnetischer Strahlung

Mit Kohlefasern lässt sich ein Abschirmeffekt und dadurch eine Strahlenreduzierung um 95,5%, wie auch eine Belastungsreduktion von 50 auf 0,25 dB erreichen. Aus diesem Grund ist Carbon zur Abschirmung von elektronischen Baugruppen und zum Schutz von Menschen vor elektromagnetischen Feldern einsetzbar. Um diesen Abschirmeffekt noch weiter zu verbessern, kommen spezielle Oberflächenbeschichtungen - sogenannte EMV-Schutzschichten - zum Einsatz. Diese werden durch spezielle EMV-Schutzlacke oder thermisches Spritzen aufgetragen.

EMV thermisches spritzen CarbonAbbildung 5: Auftragen einer EMV-Schutzschicht auf ein Bauteil aus Carbon durch thermisches Spritzen

Carbon ist belastungserprobt

In Hochtechnologie-Branchen wie dem Motorsport, der Luftfahrt und der High End-Automobilindustrie gilt Carbon bereits als Schlüsselwerkstoff des 21. Jahrhunderts. Innovative Unternehmen aus dem Bereich Wehrtechnik können deshalb aus einem breiten Spektrum an Erfahrungswerten ähnlich belastungsorientierter Anwendungsfelder schöpfen. Ob Wissen um leichte und formstabile Bauteile mit sehr guten Brandeigenschaften aus der Zivilluftfahrt, Beschichtungs-Know-How aus der Schifffahrt oder Expertise zu sicherheitsrelevanten Strukturbauteilen aus dem Rennsport. Die Übernahme erprobter Konstruktions- und Fertigungsprozesse in die Wehrtechnik eröffnet ein enormes Innovationspotential.

Carbon rechnet sich

Composites gelten zwar als teure Werkstoffe, doch ist laut McKinsey bis 2030 von einer Annährung der Mehrkosten für Carbon an das Niveau von Aluminium zu rechnen. In der Prototypen- und Kleinserienfertigung ist die Fertigung von Carbonkomponenten aber schon heute zu derart wirtschaftlichen Konditionen möglich, dass die Materialwahl kaum noch ins Gewicht fällt: Deutlich niedrigere Investments in den Formenbau und ein minimaler Nachbearbeitungsaufwand durch eine formfallende Fertigung machen Composites deshalb auch kostentechnisch zur echten Alternative für Aluminium- und Feinguss.

Lebensdauer, Beständigkeit und Gewichtsvorteile einbezogen, rechnet sich der Umstieg auf Faserverbundwerkstoffe für Wehrtechnikkomponenten, die größten Belastungen standhalten müssen, in jedem Fall.

Carbon ist ein wahrer Allrounder

Seit geraumer Zeit schon profitiert die Wehrtechnik, aufgrund der zuvor beschriebenen Eigenschaften, stark von dem innovativen Werkstoff Carbon. Diese Eigenschaften haben ebenso zur Folge, dass das Material innerhalb der Wehrtechnik breit gestreut eingesetzt werden kann. Von Plattformen und Strukturen für Raketen- und Launchersysteme, über Komponenten für militärische Transportmittel, bis hin zur Ausrüstung für Soldaten und der militärischen Infrastruktur - Carbon findet vielseitig Anwendung. Diese universelle Einsetzbarkeit von Carbon ist somit ein weiterer positiver Grund, welcher für den Einsatz des Werkstoffes in der Wehrtechnik spricht.

Carbon AllrounderAbbildung 6: Die Eigenschaften von Carbon ermöglichen die vielseitige Einsetzbarkeit des Werkstoffes in der Wehrtechnik

Fazit: Carbon ist auf dem Vormarsch

Die Vorzüge von Composite-Materialien sprechen für sich und finden nach jahrzehntelanger erfolgreicher Anwendung in Hochtechnologie-Branchen nun auch Einzug in die Wehrtechnik. Bei einer optimalen fasergerechten Konstruktion und fundiertem Fertigungs-Know-How können sie klassischen Werkstoffen wie Stahl und Aluminium-Legierungen mehr als nur die Stirn bieten und  lösen letztendlich den Zielkonflikt zwischen den Faktoren Sicherheit, Beständigkeit, Belastbarkeit und Leichtigkeit auf innovative Weise.

carbon carbontechnik wehrtechnik

SHARE

Hier können Sie diesen Beitrag teilen
Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

Hintsteiner Blog

Blog abonnieren