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Carbonfaser-Composites – Optimierter Nutzen durch Fiber Placement

Die Entwicklung von Bauteilen aus Carbonfaser hat den Leichtbau durch Eigenschaften wie hohe strukturelle Stärke bei gleichzeitig niedrigem Gewicht revolutioniert. Die Kohlenstofffasern werden bereits bei verschiedensten Anwendungen genutzt. Um die stärkere Verbreitung und intensivere Nutzung der Werkstoffvorteile zu ermöglichen, ist die Entwicklung besonders sauberer, schneller und kostengünstiger Fertigungsprozesse vonnöten. Neben der Automatisierung der meisten Prozesse sowie einer Verkürzung der Prozessschritte, welche große Teile der Lohnkosten einspart, sorgt besonders die Verringerung des Verschnitts für Kostenreduktionspotential. Weitere wichtige Aspekte sind die einfache Lagerung, niedrige Materialkosten sowie die bessere Verzahnung der Prozesse zur Verbindung der Faser mit der Matrix.

Eigenschaften des Werkstoffs

Die Carbonfaser wird als zusätzlich verstärkende Einheit in einem Kunststoff-Verbund verwendet. Man spricht hier von carbonfaserverstärktem Kunststoff. Eingebettet in einer Matrix kommen die aus Kohlenstoff („Graphit“) bestehenden Filamente bei der Herstellung vieler Hochleistungsprodukte aufgrund Ihrer Werkstoffeigenschaften zur Anwendung. Die wichtigsten Eigenschaften der Kohlenstofffaser sind:

  • hohe Zugfestigkeit
  • Stabilität
  • elektrische Leitfähigkeit
  • Hitzeresistenz
  • chemische Resistenz

Insbesondere die Punkte Zugfestigkeit und Stabilität bei gleichzeitig hoher Flexibilität sind Charakteristika, die kein anderer Werkstoff in dieser Qualität bietet. Während Stahl zwar ebenfalls hohen Belastungen standhält, weist das Metall unter anderem ein deutlich höheres Gewicht auf. Carbonfaser-Produkte sind also insbesondere für den Leicht- und Maschinenbau eine Entwicklung, die völlig neue Möglichkeiten eröffnet.

Verarbeitung von Rovings und Tapes

Eine einzelne Carbonfaser – auch Filament genannt – besitzt einen deutlich geringeren Durchmesser als ein menschliches Haar. Um die Fasern verarbeiten zu können, werden die einzelnen Filamente daher zu einem Roving zusammengefasst und als Endlosfasern eingesetzt. Aufgespulte Carbonfaser-Rovings zeichnen sich durch eine anspruchsarme und kostengünstige Lagerhaltung aus und werden wiederum zur Verwebung in Halbzeuge oder direkt zum Layup einer Preform vor dem fertigen Bauteil genutzt.

Die Herstellung von Bauteilen aus Carbonfasern bzw. aus Composites, die Carbonfaser-Anteile enthalten, kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Um stabile, gleichmäßig geformte Bauteile aus Carbon zu erhalten, werden die Filamente meist mit einer Mischung aus Epoxid-Harz imprägniert. Dieser Vorgang erfolgt vor oder während des Herstellungsprozesses. Sind die Rovings bereits vorimprägniert, so spricht man von PrePregs (pre-impregnated).

Compositence erstellt Carbonfaser-Halbzeuge und Preforms durch das sogenannte Fiber Placement. Die Rovings oder Tapes werden über einen Legekopf, der an einem Roboterarm oder einer Linearachse befestigt ist – je nachdem, ob 2D oder 3D Preforms gewünscht sind – zur gewünschten Form gelegt.

Durch das Fiber Placement werden die gewünschten Hochleistungsbauteile aus verschiedensten Composites  vollständig automatisiert hergestellt. Die Vorteile dieses Fertigungsverfahrens liegen in den verschnittarmen Prozessen sowie in der gleichermaßen flexiblen wie präzisen Ablage. Diese Entwicklung ermöglicht das Tape Laying in verschiedenen Stärken, so dass die Filamente nur an den Stellen abgelegt werden, wo sie benötigt werden.

Im Rahmen des Fiber Placements ist auch die Verarbeitung eines TowPreg (PrePreg Tape) möglich. Auch hier kommen vorimprägnierte Filamente zum Einsatz, die zur Preform abgelegt werden.

Hoch spezialisierte Anlagentechnik für Composites

Sowohl der Automotive-Sektor als auch die Luft- und Raumfahrt profitieren seit geraumer Zeit von den einzigartigen Werkstoffeigenschaften der Carbonfaser. Insbesondere das geringe Gewicht bei gleichzeitig hoher Stabilität und Zugfestigkeit ermöglicht die Fertigung von Hochleistungskomponenten wie Triebwerkgehäuse für Flugzeuge und Raketen.
Compositence bietet hochentwickelte Fertigungsanlagen für Carbonfaser-Composites und erarbeitet im Bereich Faserablage sowie Tape Laying ständig neue Techniken für die Verarbeitung der Rohmaterialien zur Preform.