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Die materialtechnische Trendwende in der Sicherheitstechnik: Carbon vs. Metall

by Armin Rosenmaier

Die Sicherheitstechnik befindet sich mitten in der materialtechnischen Trendwende, welche zu stärkeren, leichteren und beständigeren Komponenten führen soll. Zuvor galten Metalle, wie Stahl und Aluminium-Legierungen, als materialtechnische Antwort auf die Anforderungen dieses Sektors. Die Verschärfung bestimmter Reglementierungen, wie zum Beispiel die Definition maximal zulässiger Belastungen für Soldatinnen und Soldaten (Hebelast), führen nun aber zu einem erhöhten Bedarf an Neuentwicklungen von diversen sicherheitstechnischen Komponenten. Welche Möglichkeiten es hierfür gibt, wie Faserverbundwerkstoffe, wie Carbon, diese Trendwende unterstützen können und welche möglichen Anwendungsfälle sich hierfür auftun, erklären wir in diesem Beitrag.

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Inhaltsverzeichnis:

  1. Die materialtechnische Trendwende: Wo Carbon Metallen den Rang abläuft!
  2. Anwendungsbeispiele für Carbon in der Sicherheitstechnik
  3. Fazit

Die materialtechnische Trendwende: Wo Carbon Metallen den Rang abläuft!

Die eingangs beschriebenen Anforderungen an neuartige Komponenten der Sicherheitstechnik erfordern ein Umdenken bei der Werkstoffauswahl, im Engineering aber auch schon im frühen Planungsprozess. Aktuelle Vorgaben, Anforderungen und Auflagen müssen erfüllt werden und es gilt schon früh passende Produktionspartner zu evaluieren und zeitnahe mit ins Boot zu holen.

Neben der Erhöhung der Sicherheit zählt heutzutage besonders auch die Reduktion des Teilegewichts zu den absoluten Schlüsselanforderungen moderner Entwicklungen in der Sicherheitstechnik. Ursprünglich eingesetzte Metalle sind in Sachen Massenreduktion aber nicht wirklich vorteilhaft, aufgrund dessen wird innovativen Faserverbundwerkstoffen, wie Carbon, immer mehr Aufmerksamkeit zu teil. Bei genauerer Betrachtung spricht aber nicht nur das geringe Gewicht für den Einsatz innovativer Leichtbaumaterialien. Folgend wird näher darauf eingegangen, welche Potentiale Leichtbaulösungen aus Carbon bzw. Faserverbundwerkstoffen gegenüber von herkömmlichen Metallbauweisen liefern:

Gewichtsreduktion mit einhergehender Mobilitätserhöhung

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.

  • Gewichtsreduktion im Vergleich zu Aluminium-Komponenten bis zu 50%
  • Gewichtsreduktion im Vergleich zu Stahl-Komponenten 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.

In der Sicherheitstechnik kommt dieser Materialvorteil nicht nur bei Ausrüstungskomponenten, sondern auch bei Nutzfahrzeugen, Launcher-Systemen, Elektrooptik sowie Plattformen zum Tragen. Die Gewichtsreduktion durch Leichtbauteile aus Carbon ermöglicht dabei 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!

Vergleich Alu Carbon-1

Abbildung 1: Die Eigenschaften von CFK im Vergleich zu Dural-Alu

Durchhaltevermögen unter extremsten Bedingungen

Faserverbundwerkstoffe überzeugen aber nicht nur hinsichtlich ihres Gewichts, auch ihre Beständigkeit und Belastbarkeit machen sie zum idealen Werkstoff für sicherheitstechnische Komponenten: Carbon ist nicht nur vier Mal belastbarer als Aluminium, sondern zeichnet sich insgesamt auch durch eine hohe Steifigkeit und Schwingfestigkeit, eine kaum messbare Wärmeausdehnung (von 10-6*K-1) sowie einer hohen Dauertemperatur– und Korrosionsbeständigkeit aus.

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Composites eignen sich daher 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 daher nur ein weiteres Argument, das für die Fertigung aus Composites spricht. Auch Sprengung und 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.

Einzigartige Formen und Designs

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. Zudem können technische Bauteilkomponenten, wie Gewindeeinsätze oder Passhülsen, direkt in den Fertigungsprozess integriert werden und bedürfen keiner aufwändigen Nacharbeit.

  • Funktionalisierung von Bauteilen durch die direkte Integration von technischen Elementen (Hülsen, Inserts, Kühlmittelleitungen, …)

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.

carbon-rohrAbbildung 2: Explosionsgetestete Luftführungskomponente aus CFK mit direkt integriertem Flanschelement

Erhöhte Lebensdauer durch chemische Resistenz

Auch die chemische Beständigkeit des Materials spricht für dessen Einsatz in der Sicherheitstechnik. Carbon ist demnach weitestgehend resistent gegen aggressive Chemikalien und Korrosion, was zu einer erhöhten Lebensdauer der unterschiedlichsten 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.

Anwendungsbeispiele für Carbon in der Sicherheitstechnik

Die zahlreichen positiven Eigenschaften von Carbon gewährleisten, dass das Material innerhalb der Sicherheitstechnik universell eingesetzt werden kann. Von Plattformen und Strukturen für Launchersysteme, über Komponenten für militärische Transportmittel, bis hin zur Ausrüstung für Soldaten und der militärischen Infrastruktur - Carbon findet vielseitig Anwendung. Diese vielseitige Einsetzbarkeit von Carbon ist somit ein weiterer positiver Grund, welcher für den Einsatz des Werkstoffes in der Sicherheitstechnik spricht. Folgend wird kompakt auf diverse Anwendungsbeispiele eingegangen.

Fahrzeuge & Transportmittel

Durch die wesentliche Gewichtseinsparungen verbrauchen kraftstoffbetriebene Fahrzeuge weniger Treibstoff. Dies führt zu einer Erhöhung der Reichweite. Zudem gewährleistet die Massenreduzierung, dass kleiner dimensionierte Bremsen und Motoren dennoch dieselbe Fahrleistung erbringen.

Weiters resultiert aus der Reduzierung des Gewichts eine Erhöhung der Nutzlast der Fahrzeuge, wodurch mehr transportiert werden kann. Carbon kann dabei von Interior- & Verkleidungskomponenten, über Karosserie-Bauteile, bis hin zu lasttragenden Strukturelementen universell eingesetzt werden. Gepanzerte Einsatzfahrzeuge, unbemannte Landfahrzeuge oder Drohnen sind nur ein Auszug an Fahrzeugen und Transportmitteln, an welchen jene Leichtbaukomponenten zum Einsatz kommen.

CFK_RobotikAbbildung 3: Carbon-Gehäuse für ein unbemanntes Landfahrzeug

Plattformen und Turmsysteme

Im Betrieb entstehenden Schwingungen und Vibrationen wirken sich zumeist negativ auf  Turmsysteme aus und beeinträchtigen dadurch einen ruhigen Lauf der Einrichtung. Schwingungen und Vibrationen sind somit Hauptstörungsquellen von diversen Sicht- und Feuerleitsystemen. Durch den gezielten Einsatz von Carbon lassen sich solche Schwingungen, aufgrund der hohen Schwingfestigkeit des Materials, weitestgehend vermeiden. Weiters kann durch den Einsatz von Carbon-Komponenten auch eine erhebliche Gewichtsreduktion erzielt werden, welche zu  einer rascheren Beschleunigung, höheren Agilität, gesteigerten Präzision und kürzeren Bremswegen führt. Besonders dort, wo konventionelle Schweisskonstruktionen oder gusstechnische Werkstoffe aufgrund der statischen und dynamischen Anforderungen an ihre Grenzen stoßen, kann Carbon Abhilfe schaffen.

Militärische Infrastruktur

Geografisch verteilte Einsätze und unterschiedlichste Szenarien benötigen flexible und leicht bewegliche Komponenten für die militärische Infrastruktur. Wasserbehälter, Zisternen, Treibstofftanks oder Mastsysteme sind nur ein Auszug aus den möglichen Anwendungsfällen, die aus besonders leichten Materialien gefertigt werden können. Die hervorragenden Eigenschaften von Carbon, besonders auch im Hinblick auf Witterungs- und Säurebeständigkeit, sorgen dahingehend für ein breites Anwendungsspektrum.

KraftstofftankAbbildung 4: Kraftstofftanks aus Composites

Soldatenausrüstung

Nicht nur äußere Einflüsse wie extreme klimatische Bedingungen oder herausfordernde Geländestrukturen fordern den Einsatzkräften alles ab. Auch neue Verordnungen zur Belastbarkeit des Personals führen dazu, dass gewichtseinsparende Maßnahmen gesetzt werden müssen. Zusätzlich kann durch Gewichtsreduktion die Mobilität der Soldatinnen und Soldaten wesentlich gesteigert werden. Sichtsysteme, Funkgeräte, Rucksäcke oder Schanzzeug sind Beispiele für die Ausrüstung, welche ein Soldat mit sich trägt. Der Einsatz von Leichtbaukomponenten für jene Ausrüstungsgegenstände ermöglicht somit die Reduzierung des zu transportierenden Gewichts und gewährleistet somit eine geringere physische Belastung des Personals.

Weitere mögliche Anwendungsfälle sind z.B. Exoskelette oder mobile Strukturen und Gehäuse wie Racks.

Fazit

Die Vorzüge von Carbon sprechen für sich und nach jahrzehntelange, erfolgreicher Anwendung in diversen Hochtechnologie-Branchen findet diese innovative Technologie nun auch Einzug in die Sicherheitstechnik. Bei optimaler faserverbundgerechten Konstruktion und fundiertem Fertigungs-Know-How können CFK-Komponenten klassischen Werkstoffen, wie Stahl und Aluminium-Legierungen, mehr als nur die Stirn bieten und erfüllen letztendlich aktuelle Anforderungen und Auflagen

carbon wehrtechnik

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Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

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