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Carbon - Strukturen, die auch Skeptiker überzeugen!

by Martin Hintsteiner

Für eine nachhaltige Einsparung von Ressourcen, sowie der Reduzierung von Emissionen wird der Leichtbau aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) immer essentieller. Jene Materialien sind universell Einsetzbar und eröffnen somit völlig neue Möglichkeiten, die vor einigen Jahren noch nicht absehbar waren. Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, CFK oder Carbon, wie man es auch nennen möchte - die positiven Eigenschaften dieses Materials sind einzigartig! Die hohe spezifische Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht), die vorzügliche Korrosionsbeständigkeit, wie auch die enorme Konstruktionsfreiheit, welche der Werkstoff mit sich bringt, sind nur ein paar der Eigenschaften, die diesen Werkstoff so besonders machen.

Reparatur CFK Abbildung 1: Reparatur Arbeiten an einen CFK-Komponenten 

In den letzten Jahren stieg der Einsatz von CFK kontinuierlich an und löste in den verschiedensten Anwendungen vermehrt unterschiedlichste Metalle ab. Ein ausschlaggebender Grund dafür sind die enormen Gewichtseinsparungen, welche durch den Einsatz von Carbon erzielt werden können. So lassen sich durch die Verwendung von Carbon in etwa 50% des Gewichts im Vergleich zu funktionsgleichen Aluminiumstrukturen einsparen. Im Vergleich zu Stahlstrukturen sind es sogar bis zu 80%. Diese Reduktion löst zudem eine äußerst positive Kettenreaktion aus. Demnach werden benötigte Führungselemente (Gleitlager, Wälzlager, …) weniger belastet und können somit kleiner dimensioniert werden. Dasselbe gilt auch für Motoren, Getriebe, Bremsen, Fahrwerke usw. Im Automotive-Bereich führt diese zudem zur wesentlichen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen.

Egal ob im Maschinenbau, dem Fahrzeugbau oder in der Luftfahrt, Masse muss bewegt, beschleunigt und gebremst werden. Durch eine Gewichtsreduktion durch den Einsatz innovativer Materialien muss dafür weniger Energie aufgewendet werden.

Inhaltsverzeichnis:
1. Turbinenschaufeln aus Carbon
2. Kranausleger aus Carbon
3. Computertomographen aus Carbon
4. Schienenfahrzeugstrukturen aus Carbon
5. Hoch- und Tiefbau mit Carbon
6. Fazit

Turbinenschaufeln aus Carbon

Hochbeanspruchte Bauteile, wie zum Beispiel Turbinenschaufeln für Flugzeugtriebwerke, werden bis Dato zum Großteil aus Titan oder Stahl hergestellt. GE Aviation entwickelte die Triebwerksturbinenschaufel GE90–94B für die Boeing 777 und setzte dabei erstmals auf Verbundwerkstoffe, um im Vergleich zu Metallschaufeln eine enorme Gewichtseinsparung bewirken zu können. Dabei besteht der Großteil dieser Turbinenschaufel aus Carbon, nur die Vorderkante (Blattspitze) ist aus Titan gefertigt.

CFK TurbinenschaufelAbbildung 2: CFK-Turbinenschaufel mit Titan-Blattspitze (© CFM International)

Neben den Turbinenschaufeln hat GE auch das Triebwerksgehäuse aus Carbonfaser-Verbundwerkstoffen gefertigt. Dadurch konnte das Gewicht des gesamten Triebwerks, wie auch der Treibstoffverbrauch wesentlich reduziert werden.

CFK Flugzeugturbine

Abbildung 3:  Turbinenschaufeln aus Carbon gefertigt mit der Prepreg-Autoklaven-Technik (© CFM International)

Kranausleger aus Carbon

Die Nutzlast eines Krans hängt von der Festigkeit und Steifigkeit der zur Herstellung des Arms verwendeten Materialien ab. Ironischerweise hängt es auch vom Gewicht des Arms ab. Das heißt, je größer das Gewicht des Arms ist, desto weniger Nutzlast kann er tragen. Umgekehrt kann die Nutzlast des Krans erhöht werden, indem die Masse seines Arms reduziert wird. Somit ist ein Kran-Ausleger eine ideale Anwendung für den Einsatz von Verbundwerkstoffen.

Carbon LeichtbaukranAbbildung 4: Leichtbaukran aus Kohlefaser (© GROVE)

Neben den Nutzlasten lassen sich durch die Anwendung von Carbon im Kranbau auch die Einsatzhöhen aufgrund extremer Materialsteifigkeit und -festigkeit, wie auch Arbeitsgeschwindigkeiten durch leichter zu bewegende Massen erhöhen. (Informationen bzgl. Kranbau)

Computertomographen aus Carbon

Im Inneren eines Computertomographen (Röntgenröhre) rotiert die Röntgenquelle mehrmals pro Sekunde um den Patienten und untersucht diesen somit ohne ihn zu berühren. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich ein Detektorsystem, welches sich mit dreht und dabei die vom Körper abgeschwächte Strahlung aufnimmt. Bei diesem Vorgang treten extrem hohe Fliehkräfte auf. Die Anwendung von Leichtbaumaterialien bewirkt eine starke Minimierung dieser Fliehkräfte und erhöht dadurch die Lebensdauer des Röntgengeräts. Zudem bietet Carbon aufgrund seiner hervorragenden Belastungseigenschaften extreme Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Carbon OP TechnikAbbildung 5: CT-Scanner der Firma ©SIEMENS

Auch Röntgenliegen können aus Carbon hergestellt werden. Diese sind außerordentlich leicht und steif. Somit ist es möglich Patienten durch eine Carbon-Struktur berührungslos und in absoluter Ebenheit in die Röntgen-Röhre einzubringen. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die Strahlendurchlässigkeit solcher Werkstoffe. CFK-Verbundmaterialien sind demnach röntgentransparent und auf Röntgenbildern somit nicht zu erkennen, wodurch eine unbeeinträchtigte Bildgebung ermöglicht wird.

Schienenfahrzeugstrukturen aus Carbon

Neue Technologien und innovative Bauweisen finden auch den Einzug in die Bahnindustrie. Essentielle Gewichtsreduktionen lassen sich, insbesondere bei neuen Hochgeschwindigkeitszügen, durch systematischen Leichtbau aus CFK-Faserverbund realisieren. Bei einigen Komponenten von Schienenfahrzeugen wird bereits Carbon eingesetzt oder befindet sich zumindest in finalen Testungen und Überprüfungen.

Carbon wird dabei beispielsweise zur Herstellung von Fahrwerken bzw. Drehgestellen verwendet. Solche strukturell hochbelasteten Baugruppen müssen eine Menge von relevanten Funktionen erfüllen, darunter die Unterstützung der Karosserie, die Führung des Radsatzes, die Aufrechterhaltung der Stabilität des Schienenfahrzeugs, die Übertragung der Zug- und Bremskraft, wie auch die Gewährleistung einer komfortablen Fahrt für die Fahrgäste. Werkstoffe und Bauteile müssen all diesen Anforderungen gerecht werden und bestehenden Eisenbahnstandards entsprechen. Die Gewichtsreduktion gegenüber der herkömmlichen Bauweise liegt dabei bei rund 40%.

Die Beanspruchung von Komponenten für Züge, wie in etwa durch den Wechsel der klimatischen Bedingungen (-25° +45°) oder auftretenden Vibrationen, und die Anforderungen an diese, zum Beispiel in Hinsicht auf den Brandschutz (EN 45545 / EN 50155), sind enorm. Demnach sind effiziente und leistungsfähige Lösungen gefragt. Faserverbundmaterialien bieten dabei einen innovativen Ansatz, Züge, unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit, schneller und sicherer zu gestalten.

Drehgestell aus CarbonAbbildung 6: Drehgestell aus Faserverbund entwickelt vom Institut für Eisenbahnforschung der Universität Huddersfield

Hoch- und Tiefbau mit Carbon

In der Bauindustrie besteht eine kontinuierliche Nachfrage nach Instandhaltungen von bestehenden Betonkonstruktionen. Dies hat dazu geführt, dass neue Technologien entwickelt werden müssen, um eine wirtschaftliche, effiziente und funktionale Reparatur zu garantieren. Dementsprechend kommen mittlerweile zur Sanierung aber auch zur Nachrüstung vermehrt technische Textilien, wie der Kohlenstofffaserverbund, zum Einsatz. Carbon wird dabei vor allem zur Verstärkung von Baukonstruktionen und zur Reparatur von Beschädigungen durch Laminieren eingesetzt.

CFK BetonsanierungAbbildung 7: Zusätzliche Verstärkung eines Betonüberlegers / Sanierung einer Parkgarage

Durch Abnutzung freigelegter Baustahl (Bewehrung) oder beschädigte Teilbereiche der Betonstruktur müssen gegen Korrosion und Witterungseinflüsse geschützt werden, um den Schaden nicht fortschreitend zu vergrößern. Gerade bei lange bestehenden und viel genutzten Brücken sind Rissbildungen bzw. Randabplatzungen ein großes Thema. Bezugnehmend auf diese Faktoren bietet gerade Carbon enorme Potenziale:

  • CFK ist resistent gegen nahezu alle Umwelteinflüsse (Temperaturschwankungen, Witterung, aggressive Medien usw.).
  • Der Aufwand für die Verarbeitung von CFK ist gegenüber der herkömmlichen Arbeitsweise vergleichsweise gering.
  • Die Tragfähigkeit von bestehenden Strukturen wird durch die mechanischen Eigenschaften von CFK erhöht.
  • Das Eigengewicht von CFK ist sehr gering (CFK vs. Stahl), weist dabei aber eine extrem hohe Zugfestigkeit auf.
  • Rissbildungen und Korrosion werden durch den Einsatz von CFK weitestgehend verhindert.

Vor allem in Bereichen wo der Kontakt mit aggressiven Chemikalien gegeben ist, sind die Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen einfach genial!

CFK BauAbbildung 8: Aufbau einer Arbeitsplattform (elektrisch isolierend)

Fazit

Das Thema Leichtbau gewinnt aufgrund der zunehmenden Priorität von Nachhaltigkeitsaspekten vermehrt an Bedeutung. Leichtbau soll dabei eine zweckorientierte, gewichtsoptimierte und ressourcenschonende Fertigung von innovativen Produktlösungen ermöglichen. Ein Werkstoff, welcher als Sinnbild für den Begriff Leichtbau steht, ist Carbon. Das Material überzeugt dabei aufgrund seiner hervorragenden mechanischen und chemischen Eigenschaften, wie auch durch seine universelle Einsetzbarkeit. Demnach verwenden Entwickler aus unterschiedlichsten industriellen Bereichen den Werkstoff um geforderte Produktinnovationen voranzutreiben. Dabei entstehen Produkte, bei denen der Einsatz von Leichtbaumaterialien und Kunststoffen von Laien äußerst skeptisch betrachtet wurde. Von Gehäusen und Turbinenschaufeln für Flugzeugtriebwerke, über Ausleger von Kränen, bis hin zu Fahrwerken von Schienenfahrzeugen – mit dem Material Carbon lässt sich demnach beinahe alles umsetzen und ressourceneffizient gestalten! 

carbon carbontechnik Composites

Martin Hintsteiner

Geschäftsführer HINTSTEINER GROUP Experte Carbontechnik & Kunststofftechnik

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Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

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