Carbon erklärt #1 Herstellung, Eigenschaften, Stabilität und Haltbarkeit

Also, was ist Carbon eigentlich? Die Farbe bringt es an den Tag: Kohlenstoff in Reinform. Eine Form des Kohlenstoffs gibt es noch, die nicht schwarz ist: Diamant. Aber darüber referiere ich hier nicht. Schaut man sich ein Carbon-Bauteil mal genauer an, findet man feinste Filamente, deren Eigenschaften die Materialeigenschaften beinahe ausschließlich reglementieren.

Herstellung der Faser

Ich möchte gerne kurz auf die Herstellung dieser Filamente eingehen: Wie der Seidenspinner Seiden-Filamente herstellt, so wird der sogenannte Precursor maschinell aus einem Spezial-Harz hergestellt. Dieses Kunststoff-Filament muss nun ein paar Karbonisierungsstufen/Graphitierungsstufen in speziellen Durchlauf-Öfen erfahren. So wie der Köhler aus Holz Holzkohle herstellt, so wird aus ehemals Polyacrylnitril (PAN) ein Carbon-Filament. Ich beschreibe hier nur das gängigste Verfahren.

Die Temperaturen der einzelnen Carbonisierungsstufen entscheiden über die Eigenschaften der Faser-Filamente und nehmen maßgeblichen Einfluss auf den Preis. Festigkeit, Steifigkeit und Bruchdehnung werden hier je nach Fasertyp beeinflusst.

Materialdaten einiger Fasertypen:

Im Vergleich dazu liegt ein hochfester Stahl bei etwa 1200 MPa, einem 4,5-fachen der Dichte von Kohlenstofffaser (1,77 vs 7,8). Diese Filamente werden dann zu sogenannten Rovings gebündelt. Die K-Zahl des Rovings gibt Aufschluss über die Filamentzahl (1K entspricht 1000 Filamenten). Die Dicke von Carbonfilamenten ist je nach Fasertyp unterschiedlich – zwischen 4 und 8 Mikrometer.

Materialeigenschaften

Nach der Bündelung zu besagten Rovings wird die Faser noch mit einer Schlichte, einer Art Haftvermittler beschichtet. Eines der am besten gehüteten Geheimnisse der Faserhersteller. Ab hier kann das Material bereits zu Bauteilen verarbeitet werden. Hier möchte ich einen Einblick in die Werkstoffeigenschaften geben. Um einen Faserverbund zu erschaffen, ist ein weiteres Material notwendig. Die sogenannte Matrix kann aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen: Gebräuchlich sind Epoxide, Polyester sowie Phenole auf der duroplastischen Basis. Thermoplastische Kunststoffe wie Polyamid, ABS, Peek, aber auch Polypropylen werden vorwiegend in Großserien verwendet.

Um nun das Versagensmodell eines mit Matrix infiltrierten Rovings zu verstehen, muss man sich die Materialdaten der einzelnen Werkstoffe betrachten:

Harz: Festigkeit 30N/mm², E-Modul 3000-5000N/mm²
Faser: Festigkeit 4000N/mm², E-Modul 230.000-780.000N/mm²

Wenn man sich nun den Verbund anschaut ist es logisch, dass der Roving senkrecht zur Faser kaum Lasten erträgt, in Faserrichtung hingegen sehr stabil ist. Beschreibe ich nun ein Versagensmodell, indem ich ausgehend vom Ursprung Fmax in alle Richtungen auftrage, beschreiben die Enden aller Kraftvektoren einen langen, beinahe zylindrischen Körper mit flachen Endkappen. Sobald also ein Kraftvektor auf meinen Roving wirkt und dessen „Pfeilenden“ sich außerhalb dieses Körpers befinden, habe ich unweigerlich Materialversagen. Es lässt sich sogar herausfinden, wie das Versagen aussieht: Außerhalb der Mantelflächen habe ich Zwischen-Faserbruch. Das bedeutet Matrixversagen.

Verlässt mein Spannungsvektor die flachen Endkappen meines Körpers, entsteht Faserbruch. Schaut man genauer hin, wird man feststellen, dass es einen Unterschied zwischen Druck- und Zugfestigkeit gibt. Das lässt sich erklären: Reine Zuglast belastet die Matrix fast gar nicht. Die Last wird vollständig über die Faser abgetragen. Im Druckfall schaut das anders aus: Die Faser ist nicht sehr knickstabil. Das Harz mit seinen relativ schlechten Materialeigenschaften kann das Ausknicken der Faser nur eingeschränkt verhindern, was zu einer verminderten Druckfestigkeit führt. Die Druckfestigkeit liegt bei Epoxyidharz-Laminaten bei etwa 60% der maximalen Zugfestigkeit. Fehler wie Lufteinschlüsse oder Verschmutzungen können diesen Wert noch stärker reduzieren.Die Beschreibung eines Laminat-Aufbaus gestaltet sich hier schon etwas schwieriger.

Wie mache ich nun eine Bauteil-Auslegung? Wir haben gerade erfahren, dass eine Belastung quer zur Faser ungünstig ist. Drucklasten führen schneller zum Versagen. Ein einfacher Lastfall, also zum Beispiel Biegung, löst aber leider schon mal Druck aus. Ich komme also nicht umhin, meine Bauteil-Wandstärke oder Geometrie darauf anzupassen. Ich lasse mich hier gerne von der Finiten Element Methode (FEM) unterstützen. FEM macht die Betrachtung mehrachsiger Spannungszustände möglich. Ich schaue mir also die Haupt-Lastfälle, Neben-Lastfälle sowie die Missbrauchsfälle an und baue auf der Basis mein Layup auf. Das klingt ziemlich simpel, ist aber eine Arbeit, die nur in mehreren Iterations-Schritten zum Ziel führt.

Fasergerechte Konstruktion

Was ist das jetzt schon wieder? Nun, mit der Auslegung ist es nicht getan – vorab sollte das Bauteil fasergerecht und auch prozessgerecht konstruiert sein. Radien sollten möglichst groß gewählt sein, Entformungsrichtungen müssen berücksichtigt werden. Der Einfluss der Geometrie auf die zu erwartenden Spannungen ist enorm.

Die lastpfadgerechte Konstruktion macht echten Leichtbau erst möglich. Unnötige Faserumlenkungen machen das Bauteil weich, reduzieren die Festigkeit oder erhöhen das notwendige Gewicht.

Auslegungskriterien

Was nimmt man als Last an? Ein nicht ganz einfaches Thema. Viele würden zur DIN greifen und sich in Sicherheit wähnen. Tatsächlich wird man feststellen, dass hier mit den maximalen Lasten etwas sparsam umgegangen wurde. Ich würde hier behaupten, dass, um ein sicheres Bauteil auszulegen, die Lasten um ein Vielfaches höher liegen. Natürlich handelt es sich hier um gelegentlich auftretende Lasten, diese muss man aber berücksichtigen, um kein blaues Wunder zu erleben. Als Leiter der Composite-Abteilung bei Syntace war ich im Syntace-Team für die Auslegung der Carbon Sattelstütze P6 HighFlex sowie den Lenker Vector Carbon verantwortlich. Als Consultant habe ich die Gewichtsoptimierung des neuen Vector mitbetreut.

Als Entwicklungspartner berate ich Syntace in allen Fragen um den schwarzen Werkstoff. Syntace verlässt sich hier ausschließlich auf real gemessene Werte, die zu einem Testprofil umgewandelt bei jedem VR3 Test x-fach durchlaufen werden.

Inserttechnologie

Auch wenn es mehr und mehr aus der Mode kommt, so ganz kann nicht darauf verzichtet werden. Sollen große Kräfte ins Bauteil eingeleitet werden, kommt man nicht um ein Insert herum. Geometrie und Werkstoffwahl sind hier nicht unwichtig. Titan, Aluminium, aber auch Stahl finden Verwendung. Es ist hier nur dem Thema Wärmeausdehnung und Kontaktkorrosion Sorge zu tragen. Titan ist hier sicherlich in beiden Fragen am unkritischsten zu sehen.

Kontaktkorrosion

„Die elektrochemischen Korrosionsreaktionen lassen sich in eine anodische und kathodische Teilreaktion gliedern. Dabei ist die anodische Teilreaktion die eigentliche Korrosion. Sie ist eine Oxidation und findet am unedleren Reaktionspartner statt. Dabei gibt der Werkstoff Elektronen ab und löst sich somit auf. Die kathodische Teilreaktion hingegen ist eine Reduktion. Hier nimmt der edlere Reaktionspartner Elektronen auf und fördert somit die anodische Auflösung. Damit die beiden Teilreaktionen ablaufen können, müssen die Bauteile in Kontakt mit einem elektrisch leitfähigen Medium, einem Elektrolyt stehen. Dieser ermöglicht den Elektronenfluss zwischen edlem und unedlem Werkstoff. Welche der beiden Teilreaktionen an einem der Reaktionspartner abläuft, ist abhängig vom elektrochemischen Potenzial des Materials. Dabei läuft die anodische Teilreaktion immer am unedleren, also am Werkstoff mit dem niedrigeren Potenzial, ab.“ – Fabian Henkes, Radolid Thiel GmbH

Der Potentialunterschied zwischen den Werkstoffen sollte unter 0,4 V gehalten werden. Aluminium oder Stahl sollte daher unbedingt in Glasfaser einlaminiert und somit vor dem direkten Kontakt mit dem Carbon geschützt werden. Die Geometrie sollte so gewählt werden, dass die Einleitung der Kraft in das CFK-Bauteil großflächig erfolgt. E-Modul Sprünge sind durch Messerkanten zu entschärfen.

Versagen bei Carbon-Bauteilen erkennen

Entgegen der landläufigen Meinung behaupte ich, dass man Schäden an CFK-Bauteilen sehr wohl erkennen kann. Vorausgesetzt, ich habe bei der Auslegung keine Fehler gemacht und mich an die Montageregeln gehalten, muss ich davon ausgehen, dass schon eine gehörige Zerstörungsenergie notwendig ist, einen Schaden zu verursachen. Findet ein derartiger Crash statt und das Bauteil befindet sich noch in einem integeren Zustand, kann ich einige Untersuchungen machen um einen Bruch ausfindig zu machen.

• Tiefe Lackkratzer untersuchen. Ist die erste Schicht Carbon angekratzt, weg damit!
• Sämtliche Anbauten entfernen und das Teil dann aus 10 mm Höhe auf einen harten Boden aufticken lassen. Der Klang des Bauteils muss „monolitisch“ sein, es darf nicht scheppern. Das Scheppern entsteht durch das Aufeinanderprallen von Carbonschichten. Also: übler Sound, weg damit!
• Rissfinder-Farbe: Es gibt für die Untersuchung von Motorblöcken eine Spezialfarbe, die die Eigenschaft besitzt, Rissen gegenüber besonders affin zu sein. Sollten also mit 1) und 2) nicht alle Verdachtsmomente ausgeräumt werden, kann die Rissfinder-Farbe den letzten Zweifel ausräumen oder bestätigen.

In jedem Fall gilt: An manchen dieser Teile hängt eure Gesundheit oder mehr. Solltet Ihr euch hier nicht sicher sein, lasst einen Fachmann drüber schauen. Dieser Tipp gilt allerdings auch für jedes andere Material! Für teure Rahmen gibt es dann noch die Option der Reparatur. Detailliert werde ich das Thema in einem weiteren Artikel behandeln.

Herstellungsverfahren

Bei welchem Herstellungsverfahren auch immer ist man immer bestrebt, den Faseranteil möglichst hoch zu halten. Einfache Verfahren wie das Nasslaminieren kommen fachmännisch durchgeführt auf etwa 30% Faservolumen-Anteil. Kombiniert man mit der Autoklavtechnik, kann eine signifikante Verbesserung erzielt werden: 50% Faservolumen-Anteil und mehr sind möglich. Bei der Verwendung von sogenannten Prepregs (vorimprägniertes Fasermaterial) in Verbindung mit dem Autoklaven erreicht man die wahrscheinlich besten Ergebnisse. Faservolumengehalte um 65% und mehr sind möglich.

Sollte Interesse an mehr Details bestehen, klickt auf die Links. Die einzelnen Verfahren werden dort erklärt:

• Autoclave
• RTM Verfahren (Resin Transfer Molding)
• VAR (Vacuum assisted RTM)

Ich hoffe, dass ich euch ein paar interessante Dinge über den schwarzen Werkstoff erzählen konnte. Ich freue mich auf eure Fragen, Anregungen und Diskussionen!