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CARBON

Der Wunderwerkstoff der Zukunft

Leicht und trotzdem extrem Steif: Diese beiden Attribute sind die bekann-testen, wenn die Rede von Carbon ist. Der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff (Abkürzung CFK) ist aus der modernen Industrie nicht mehr wegzudenken und sorgt zum Beispiel dafür, dass Autos immer leichter werden und damit weniger Energie verbrauchen. Aber auch die Verteidigungsindustrie, die Luftfahrt und viele weitere Branchen profitieren immer stärker von Leichtbauteilen aus Carbon.

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Unsere Carbon-Leistungen auf einen Blick:

 

info

Größe
Autoklaven bis zu 2500mm x 4200mm

material

Materialien
Faserverbundwerkstoffe wie Aramid, Basalt,Carbon,PBO
(Kevlar, Zylon, Vectran, Nomex)

leistung

Leistungen
Konstruktion und Engineering  von Strukturbauteilen
Berechnungen,Formenbau und Bauteilfertigung

zeit

Durchlaufzeit
Abhängig von Bauteilgeometrie und - größe zwischen 24 Stunden und 6 Wochen

 

 

Was ist Carbon?

Kaum Eigengewicht und dabei doch bruchfest und mit einer enormen Zugfestigkeit ausgestattet: Das ist Carbon! Verbundwerkstoffe, wie Carbon ergeben sich aus der Kombination verschiedenartiger Materialien. Dabei sollen sich die positiven Eigenschaften der unterschiedlichen Komponenten zunutze gemacht werden. Im Falle von CFK werden Kohlenstofffasern mit Bettungsmassen aus unterschiedlichen Harzen verbunden. Je nach Bauteilanforderungen kommen unterschiedliche Harze zum Einsatz (Epoxidharz, Phenolharz, …)

Generell sind solche Harzsysteme Duroplaste, welche viele verschiedene chemische Elemente enthalten. Duroplaste wiederum sind Kunststoffe, welche nach ihrer Aushärtung durch Hitze nicht mehr verformt werden können und somit hohen mechanischen Belastungen standhalten. Durch die Verbindung dieser einzelnen Materialien wird verhindert, dass sich die Fasern bei einer mechanischen Belastung gegeneinander verschieben. Da das Verbundmaterial nur in Faserrichtung eine solch hohe Stabilität aufweist, werden die Fasern bei der Produktion meistens in verschiedenen Richtungen verlegt. Durch dieses komplexe Verbindungsmuster weist Carbon eine derartige Steifigkeit und Leichtigkeit auf, für die das Material seinen hervorragenden Ruf genießt.

So profitiert die Industrie von Carbon

Obwohl Carbon ähnliche Festigkeitswerte wie Stahl aufweist, ist das Material trotzdem um bis zu 80% leichter. Eine hohe Temperaturbeständigkeit mit einer kaum messbaren Wärmeausdehnung ist neben extremer Festigkeit und Steifigkeit ein weiterer Vorzug von Carbon. Das Material erlaubt zudem eine breite Form von Nachbearbeitungsoptionen, wie Bohren, Fräsen oder Drehen. Nicht zuletzt lässt sich der Kunststoff im Zuge seiner Weiterverarbeitung hochwertig lackieren und zuverlässig verkleben.

prepreg Bauteile

Die Herstellung von Carbon

Der Ausgangsstoff für die Kohlefasern, aus denen man Carbon herstellen kann, ist Polyacrylnitril. Diese wird auf bis zu 1.300°C erhitzt und verschiedenen Druckverhältnissen ausgesetzt. Durch diesen Prozess, der als Karbonisierung bekannt ist, entstehen schwarze Carbonfasern aus fast reinem Kohlenstoff. Anschließend werden die einzelnen Fasern in mehreren Bündeln (Rovings) zusammengefasst und auf Spulen gewickelt.

Die frisch produzierten Carbonfaser-Bündel werden zusammen mit einer Bindersubstanz zu sogenannten Gelegen oder Geweben verbunden. Konkret handelt es sich dabei um flächige Textilien. Die Kohlenstofffaser-Bündel werden dabei in unterschiedlichen Winkeln ausgelegt und mithilfe eines Kettfadens nach konkreten, vorab definierten Mustern ausgerichtet. Bei Carbon Prepregs kommt anschließend ein Binder hinzu, welcher aufgestreut und erwärmt wird. Die entstandenen Gelege / Gewebe werden schließlich auf Breite geschnitten und aufgerollt.

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Die Verarbeitung von Carbon

Im nächsten Schritt geht es an die Carbon-Verarbeitung. Wurde das Herstellungsverfahren erfolgreich durchgeführt, wird das Material zu den gewünschten Carbon-Bauteilen weiterverarbeitet. Hierbei haben sich je nach Verfahren verschiedene Schritte etabliert, die im Folgenden kurz vorgestellt werden:

Preforming

Beim Preforming formt man die Stacks mithilfe eines Heizfeldes zu dreidimensionalen Carbon-Teilen um. Anschließend werden mehrere Preforms zu den gewünschten Bauteilen mit einen Harzsystem infiltriert und dadurch verbunden. (RTM)

Prepreg-Pressverfahren

Beim Prepreg-Pressverfahren wird das Faserhalbzeug (Prepreg), welches zuvor mit einem definierten Harz imprägniert wurde, in beheizten Formen aus Metall oder Kunststoff in ihre Form gepresst und ausgehärtet. Dieses Verfahren kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn Bauteile hergestellt werden, die eine gleichmäßige Wanddicke aufweisen sollen.

Nasspressen

Anders als beim Prepreg-Verfahren wird das verwendete Harz erst nach dem Zuschnitt und Zurechtlegen der textilen Halbzeuge in einem separaten Schritt aufgetragen. Nach dem Auftragen des Harzes durch Sprühen oder Walzen auf das Bauteil folgt eine Ruhephase, in der sich das Harz mit dem Textil vernetzen kann. Durch Einwirkung von Druck und Wärme wird das Bauteil anschließend in einer Form gehärtet.

Autoklavtechnik

Bei der Autoklaventechnik werden Carbon Gewebe / Gelege (oder Materialien wie GFK, AFK, PBO, Basalt , Vectran, …) die zuvor mit Harz imprägniert wurden (Prepregs), in ein Formwerkzeug eingelegt. Der Aufbau und die Ausrichtung der Fasermatten müssen dabei genau den Bauteil-Vorgaben entsprechen. Anschließend wird das, fertig mit Carbon-Matten ausgelegte, Formwerkzeug mit Saugvlies und Trennfolie versehen. Jenes wird in weiterer Folge in einen Vakuumsack verpackt. Bei einer Temperatur von 100 bis 135°C sowie einem Außendruck von fünf bis zehn Bar härtet das Material unter Vakuum aus

Resin Transfer Moulding-Verfahren

Beim sogenannten Resin Transfer Moulding-Verfahren wird im ersten Schritt trockenes Verstärkungsmaterial über einen Binder in eine Preform überführt. Mithilfe bestimmter Näh- und Stickverfahren kann die Faserorientierung den Lastfällen durch bestimmtes Ablegen angepasst werden. Anschließend wird der textile Vorformling in eine RTM-Form gelegt. Nach dem Schließen der Form wird die Matrix (Harz) in oder alternativ ein anderes Bindungsmittel in das geschlossene System injiziert. Unter Druck und Temperatur folgt anschließend die Aushärtung.

Mechanische Nachbearbeitung

Die mechanische Nachbearbeitung stellt den letzten Schritt des Herstellungsverfahrens dar. Alle Bauteile erhalten hierbei ihre endgültigen Konturen, Bohrungen und eventuelle Ausschnitte für Einbauten. Hierbei werden Zerspanungs-, Wasser- und Laserstrahltechniken verwendet.

Carbon: Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Aufgrund der zahlreichen und bedeutenden Vorteile von Carbon, werden Bauteile immer häufiger aus diesem Material produziert und in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Insbesondere in Branchen wie dem Flugzeugbau, der Wehrtechnik, dem Motorsport, der Medizintechnik und dem Kraftwerksbau kommen Carbon-Bauteile bereits heute sehr häufig zum Einsatz.

Die einzigartigen Möglichkeiten von Carbon kommen etwa bei der Produktion von Gehäusen zum Tragen, bei denen die Wärmeausdehnung eine Rolle spielt. Oft werden auch Bauteile, die bislang aus sehr schwerem und trägem Metall gefertigt wurden, inzwischen aus Carbon hergestellt, etwa Drehvorrichtungen. Hier zahlt sich die Fähigkeit von Carbon aus, dass sich das Material sehr schnell beschleunigen lässt und temperaturunabhängig keine Ausdehnung aufweist.

Auch im Fahrzeugbau nimmt die Relevanz von Carbon-Bauteilen, die verstärkt Metallkomponenten ersetzen, permanent zu. Gerade bei der Entwicklung von Elektroautos kann die Industrie durch die Carbon-Leichtbauweise bei E-Fahrzeugen die Parameter der immer noch vergleichbar geringen Reichweite verbessern. In der Wehrtechnik sorgt Carbon für eine höhere Belastbarkeit der mit den kohlenstoffhaltigen Fasern erstellten Bauteile. Daneben erhöht sich auch in diesem Bereich die Reichweite von Fahrzeu-gen sowie deren Energieeffizienz durch die Verwendung von Carbon-Leichtbauteilen.

Carbon in der Industrie

Aufgrund seines geringen Gewichts, der hohen Funktionalität und der enormen Beständigkeit ist Carbon heute ein äußerst attraktives Material zur Herstellung verschiedenster Produkte. Die Einsatzgebiete reichen dabei von säurebeständigen Carbon-Gehäusen für die Lebensmittelindustrie bis hin zu Interior-Komponenten für die Luftfahrt. Die wichtigsten Einsatzgebiete von Carbon in der Industrie werden im Folgenden kurz vorgestellt:

  • Gehäuse Verkleidungen (z.B. Messmaschinen, Röntgengeräte,)
  • Pharma-Technik (z.B. Arbeitsbühnen, säurebeständige Komponenten, Armierung bzw. Versteifungen von Kesseln)
  • Strukturteile (z.B. Drehgestelle, Operationstische, auskragende Teile, Behälter, Tragesysteme zum Krankentransport)
  • Intake-Bauteile (z.B. Air-Intakes, Luftführungen)

Carbon in der Wehrtechnik

Im Bereich Wehrtechnik herrschen oft Extrembedingungen wie zum Beispiel starke Temperaturunterschiede innerhalb kürzester Zeit, hohe mechanische Belastungen oder der permanente Kontakt mit Salzwasser. Aus diesen häufig vorherrschenden extremen Bedingungen ergibt sich ein besonders hoher Anspruch an das Material von Sichtsystemen, Karosseriebauteilen und vielem mehr. In welchen Bereichen Carbon bei der Wehrtechnik mitunter eingesetzt werden kann, listen wir Ihnen hier auf:

  • Strukturteile (z.B. Turmsysteme, Drehgestelle, Plattformen, Flugsysteme, Marine-Bauteile, Launcher-Systeme)
  • Karosserie-Bauteile (z.B. Motorhauben, Lüftungsgitter, Luftführungen, Türgriffe, Designelemente, Demonstrator-Aufbauten, Prototypen von Panzerplatten)
  • Elastische Bauteile (z.B. Kotflügel, Luftschläuche, Scheuerleisten, Anschlagleisten, Ansaugröhre)
  • Motorraum (z.B. Luftsammler, Lüfterzarge, Flüssigkeitsbehälter, Formschläuche, Treibstofftanks)
  • Soldaten-Kommunikation (z.B. Lautsprechergehäuse, IP57-Ausführung, Kopfhörer)
  • Sichtsysteme (z.B. Gehäuse, Gesichtsschutz, Aufnahmen)
  • Mobilität-Leichtbau (z.B. Rückenplatte, GPS-Gehäuse, Akku-Packs, Aufnahmesysteme, Antennen)

Carbon im Automotive-Sektor

Im Bereich Automotive werden immer höhere Anforderungen an die Sicherheit der Insassen wie auch in Bezug auf Nachhaltigkeitsaspekte gestellt.

Durch die guten Dämpfungseigenschaften, die Energie-Absorption bei Unfällen sowie das geringe Gewicht des Materials erfüllt Carbon zahlreiche Kriterien dieser beiden Anforderungen. Darüber genügt das Material zudem höchsten Ansprüchen an die Ästhetik und Funktionalität. Neben der normalen Serienfertigung können mit Carbon auch kostengünstige Prototypen und Kleinserien gefertigt werden, die anschließend nochmal genauestens unter die Lupe genommen und geprüft werden können. Zu den wichtigsten Einsatzgebieten von Carbon im Automotive-Sektor gehören:

  • Interior-Bauteile (z.B. Sitze, Lenkrad, Batteriegehäuse, I-Tafel, Mittelkonsole, Türverkleidung)
  • Exterior-Bauteile (z.B. Kotflügel, Motorhauben, Hauben, Flexible Formen, Luftführungen, Abgassysteme aus Carbon)
  • Motorraum (z.B. Öl- und Flüssigkeitsbehälter, Airbox, Batteriegehäuse, Hochtemperaturbauteile)
  • Aerodynamik (z.B. Frontdiffusor, Winglets, Heckflügel, Splitter, Unterboden, Heckdiffusor)
  • Kabinendach (z.B. Klappsysteme, Klimagehäuse, Dachmodule)

Carbon im Rennsport

Beim Motorsport werden Aerodynamik, Steifigkeit wie auch ein niedriges Gewicht großgeschrieben. Leichtbau mit Carbon ist auch hier eine gute Lösung. Das Material verbindet zahlreiche positive Eigenschaften, die dafür sorgen, dass Rennwägen und andere Fahrzeuge selbst unter extremen mechanischen Bedingungen standhalten, wodurch es den entscheidenden Vorteil bringt. Einige Bereiche, in denen Carbon beim Rennsport zum Einsatz kommen, sehen Sie hier:

  • Interior-Bauteile (z.B. Luftführungen, Innenverkleidung, Sitze und Sitzgestelle, Instrumententafel)
  • Exterior-Komponenten (z.B. Stoßfänger, Heckdeckel, Türen, Motorhauben, Dach)
  • Strukturbau-Carbonteile (z.B. Monocoque, Frontstruktur, Crashelemente, Kühlerhalter, Heckstruktur, Seitenstrukturen)
  • Aerodynamik (z.B. Winglets, Luftleitbleche, Unterboden, Luftführungen, Frontdiffusor, Heckdiffusor, Heckflügel)

Fazit zum Carbon

Hohe Bruchfestigkeit, Leichtigkeit, geringste Ausdehnung und einige weite-re typische Carbon-Eigenschaften machen das in der Produktion immer häufiger eingesetzte Leichtmaterial sehr beliebt. Der industriell hergestellte Verbundwerkstoff entsteht durch die Kombination von Kohlenstofffasern und aus Harz bestehenden Bindungsmasse. Die einzigartige Kombination der Bestandteile sorgt für die Festigkeit, Steifigkeit und Leichtigkeit. Aus zahlreichen Branchen ist der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff (CFK) bereits heute nicht mehr wegzudenken. Die Nutzung des leichten Materials sorgt beispielsweise in der Automobilbranche für einen deutlich geringeren Energieverbrauch. Auch bei der Wehrtechnik, der Luftfahrt und in vielen anderen Bereichen setzt sich Carbon immer häufiger gegen konkurrieren-de Materialien wie beispielweise Aluminium durch.

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