Um sogenannte Faserverbundwerkstoffe herzustellen, nutzt man die Methoden der Bionik. Weiter werden Materialien wie Carbon, Aramid, Glas und Naturfasern verwendet. Mithilfe der Bionik können in der Natur liegende Problemlösungen in technische Anwendungen umgesetzt werden. Die Bionik beschäftigt sich auch mit der Forschung in diesem Bereich. Es gibt hier natürliche Vorbilder, welche in abstrakter Weise in technische Lösungen übertragen werden. Dabei entstehen aber keine Kopien. Es geht eher darum, biologische Grundprinzipien zu verstehen und diese zu entschlüsseln, um sie dann in Form von technischen Anwendungen zu transferieren und weiter zu entwickeln.
Ein Prinzip der Bionik befasst sich damit, verschiedene Materialien zu einem neuen Werkstoff zu verbinden. Das Ziel ist, einen Werkstoff mit verbesserten Eigenschaften zu erschaffen. Die Anwendungsbereiche liegen dabei in unterschiedlichen industriellen Bereichen. Ein Beispiel für einen grundlegenden biologischen Aufbau sind die Strukturen von Holz oder Knochen. Auf Basis dieses Wissens können neue Werkstoffverbunde entwickelt werden. Hier wird geschaut, welche besonderen Merkmale die natürlichen Materialien mit sich bringen. Typisch für Knochen oder Bäume ist es zum Beispiel, dass besonders beansprucht Bereiche einen erhöhten Materialbestand aufweisen.
Gleichzeitig werden weniger beanspruchte Bereiche entsprechend mit weniger Material belastet, um insgesamt einen Ausgleich zu schaffen. Es handelt sich dabei um die sogenannte anisotrope Anordnung oder auch richtungsabhängige Materialeigenschaft. Legt man dieses Prinzip zugrunde, können Innovationen im Bereich der Faserverbundwerkstoffe entwickelt werden. Die Herstellung erfolgt in der Form, dass hoch belastbare Fasern in eine sogenannte Matrix mit einer lasteinleitenden Funktion eingefügt werden. Wichtig ist hierbei, die Fasern richtig auszurichten. In der Richtung, in der die Kräfte fließen, werden die belastbareren Fasern angeordnet. Dadurch gewinnt man an Stabilität und Steifigkeit.
Es kann aber gleichzeitig auch ein geringes Gewicht gehalten werden. Ein Klassiker unter den Verbundwerkstoffen ist der carbonfaserverstärkte Kunststoff, auch CFK. Es handelt sich hier um Verstärkungsfasern aus Carbon beziehungsweise Kohlenstoff, welche man in ein Harzsystem einfügt. Je nach Anwendungsbereich kann zwischen verschiedenen Carbonfasern ausgewählt werden. Diese bringen unterschiedliche Eigenschaften mit.
Herstellungsverfahren der Carbonfaser
Es gibt zwei unterschiedliche Verfahren um Carbonfasern herzustellen. Hierbei werden unterschiedliche Precursoren verwendet, also verschiedene Ausgangsstoffe. Hierbei handelt es sich um Pech oder um Polyacrylnitril. Diese Precursoren bringen eine besonders hohe Zugfestigkeit mit sich und sind auch aus kostentechnischer Sicht attraktiv. Die fertige Carbonfaser entsteht durch den Prozess der Pyrolyse. Hierbei handelt es sich um einen Erhitzungsprozess. Zudem wird das Ausgangsmatetial Polyacrylnitril ebenfalls Temperaturen ausgesetzt. Es ist wichtig, Materialien einzusetzen, die über keinen messbaren Schmelzpunkt verfügen, da bei der Herstellung sehr hohe Temperaturen zum Einsatz kommen. Das Endprodukt besteht zu 96-98 % aus purem Kohlenstoff. Die Fasern haben dabei einen Durchmesser von weniger als 9 µm. Eine Herstellung mit reinem Kohlenstoff wäre nicht möglich, da dieser weder löslich noch schmelzbar ist.
Unterschiedliche Carbonfasertypen
Je nachdem, welchen Temperaturen die Fasern ausgesetzt werden, unterscheiden sie sich in ihren Eigenschaften. Dabei bringen die unterschiedlichen Fasern typische Charakteristika mit. Es gibt sowohl die sogenannten Hochfesten Fasern (HT), die Hochmodulfasern (HM), die Zwischenmodulfasern (IM) und die Ultrahochmodulen Fasern (UHM). Hochfeste-Fasern werden dabei Temperaturen zwischen 1200-1500 °C ausgesetzt. Zwischenmodel- und Hochmodulfasern unterliegen einer Erhitzung von 1500-1800 °C und die Ultrahochmodulfasern werden auf bis zu 3000 °C erhitzt.
Als Hochleistungscarbonfaser werden in der Regel die HT Fasern verwendet. Diese sind besonders beanspruchbar im Bereich der Zugkraft und des Druckverhaltens. Es handelt sich hierbei um sogenannte High Tenacity-Fasern. Diese Fasern kommen bevorzugt in der Luftfahrt zum Einsatz. Sollen die Fasern besonders steif und gleichzeitig zugfest sein, verwendet man die IM-Fasern. Die HM- und UHM Fasern werden genutzt, wenn eine sogenannte überlegene Steifigkeit erforderlich ist. Dies gilt zum Beispiel bei Antennen, Komponenten von Satellitensystemen, Bootsmasten und hochsteifen Rohren.
Die Verarbeitung
Um die Fasern zu verarbeiten, werden sie als Bündel, auch Roving, zusammengelegt und auf eine Spule gewickelt. Dabei kann jedes Bündel bis zu 24.000 einzelne Carbonfasern enthalten. Die Bündel lassen sich direkt zu einem Endprodukt weiter verarbeiten. Alternativ können sie auch als Halbzeug genutzt werden. Fertige Bauteile lassen sich durch Verfahren wie das Profilziehverfahren oder das Filamentwickelverfahren gestalten. Bei letzterem Verfahren wird das Bündel in Harz getränkt und anschließend auf eine Spule gewickelt, auf welcher es aushärtet. Mit diesem Verfahren können zum Beispiel Rohre produziert werden. Das Profilziehverfahren hingegen ermöglicht die Herstellung durchgehender Profile. Hierbei wird das mit Harz benetzte Roving durch eine Form gezogen, die beheizt wird.
Werden Halbzeuge gefertigt, wird mithilfe einer Bindesubstanz ein Gewebe oder Gelege hergestellt. Die Textilien sind dabei flächig. Die einzelnen Bündel werden ausgelegt, wobei sie unterschiedliche Winkel einnehmen. Hinzukommt ein Kettfaden, welcher das entsprechende Muster erstellt. Handelt es sich um ein Carbon Prepeg, wird noch ein Binder verstreut und anschließend erwärmt. Das Endprodukt kann dann zugeschnitten und auf Rollen gebracht werden.
Einsatzgebiete Carbonfaserverstärkter Kunststoffe
Ein Hauptmerkmal von Carbon ist das geringe Eigengewicht. Gleichzeitig bringt das Material eine besonders hohe Funktionalität und Beständigkeit mit sich. Auch die haptischen und optischen Eigenschaften machen Carbon zu einem beliebten Werkstoff. Es kann zur Herstellung unterschiedlicher Produkte verwendet werden. So kommt es sowohl in der Messtechnik als auch in der Luftfahrt zum Einsatz. Grundsätzlich ist ein Einsatz in den unterschiedlichsten Industrien denkbar. Allerdings gibt es ein paar typische Anwendungsbereiche. So wird Carbon gerne in der Raumfahrt eingesetzt. Hier findet man es in Form von Solarpanelen, Instrumententrägern oder Primärstrukturen. In der Luftfahrt wird es für Verschalungen, Rotorblätter, Innenausbauten oder auch Flügel und Rumpfstrukturen genutzt.
Beliebt ist Carbon auch im Rennsport. Hier findet man es bei Radaufhängungen, Luftführungen, aerodynamischen Strukturen, Chassis oder Monocoquen. Im Bereich des Bootsbaus werden carbonfaserverstärkte Kunststoffe bei der Herstellung von Masten, Rümpfen oder Dächern verwendet. Der Maschinenbau nutzt Carbon für besonders schnell laufende Maschinenteile, für Roboterarme oder thermostabile Maschinentische. Auch die Medizintechnik profitiert von dem stabilen Leichtgewicht. So werden Prothesen oder auch röntgentransparente Liegen aus Carbon gefertigt. In der Messtechnik entstehen Gehäuse, Optische Bänke und Thermostabile Geräteträger aus Carbon. Zuletzt findet man den Werkstoff auch in der Wehrtechnik in Form von Ausrüstungen, als Bauteil für militärische Fahrzeuge, Infrastrukturen für den Einsatz oder auch Strukturen für Launcher Systeme oder Plattformen.
Fazit
Carbonfasern unterliegen unterschiedlichen Anforderungen und können in vielfältigen Bereichen eingesetzt werden. Je nachdem, welche Eigenschaften der Stoff mitbringen soll, können unterschiedliche Fasertypen und auch Matrixsysteme verwendet werden. Dies ermöglicht einen genauen Zuschnitt und eine spezifische Anpassung an die konkreten Bedürfnisse. Nach der Herstellung der Faserbündel kann es direkt in die Produktion eines Endproduktes gehen. Alternativ werden Halbzeugen hergestellt. Die Anwendungsgebiete sind schier unendlich. Carbon bringt besonders effektive Eigenschaften für viele Anwendungsbereiche mit. Die Verstärkungsfaser überzeugt dabei vor allem durch ihre Stabilität und ihr Leichtgewicht.
