Basiswissen

Die Kohlenstofffaser (auch Kohlefaser, engl.: carbon fibre) ist ein synthetisches Produkt.

Die genaue Zusammensetzung ist geheim wie bei Coca Cola, bei der nur drei Menschen wissen, wie die Inhaltsstoffe genau heißen.

Bei der Kohlefaser ist es ähnlich: mit einem synthetischen Vorgang (die Pyrolyse) wird eine Kunststofffaser produziert und unter großer Hitze verkohlt. Durch diesen Verbrennungsvorgang wird die Faser dann sozusagen in ihren Eigenschaften verändert und zu graphitartig angeordnetem Kohlenstoff umgewandelt. Wie der Kuchenteig, der im Ofen aufgeht und aus einer Pampe zum Zitronenblechkuchen wird.

Am Ende dieses Vorgangs hat man eine Faser (das Filament) mit einem Durchmesser von 5-8 Mikrometern, also kleiner als ein Haar. Man unterscheidet isotrope und anisotrope Typen: isotrope Fasern besitzen nur geringe Festigkeiten und geringere technische Bedeutung, anisotrope Fasern zeigen hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung.

1000 bis 24.000 dieser kleinen Fasern werden zu einer großen Faser, dem Roving, zusammengefasst und auf eine Spule gewickelt, wie ein Garn. Das funktioniert wie bei einem Bungee Seil. Ein einzelner Gummifaden kann nichts, aber alle zusammen bilden das Seil. Das einzelne Filament hat dabei keine Kraft, aber in Summe als Bungee Seil zusammengebracht, hält es einiges aus.

Dieses „Bungee Seil“, das Roving, kann man nun auf verschiedene Art und Weise weiterverarbeiten.

1. Das Kohlefasergewebe

Eine Art der Weiterverarbeitung erfolgt z. B. auf Webmaschinen. Dabei webt man mit dem Roving auf Spulen ein Gewebe, das Kohlefasergewebe. Diese textile Struktur verzieht sich schnell, da sie noch nackt ist und so erhält man leicht eine Laufmasche.

Deshalb bettet man das Kohlefasergewebe in ein Gemisch aus Harz und Härter, lässt es über Temperatur und verschiedene Zyklen aushärten und bearbeitet es weiter zu Platten, Formteilen oder auch Rohren:

• Platten – nach dem Harzbad wird das Gewebe zwischen zwei Glasplatten gepresst, sodass eine Platte entsteht.
• Rohre – man schneidet das Gewebe in kleine Streifen, rollt es auf einen Kern aus Metall auf, nässt alles ein mit dem Harz und lässt es in der runden Form aushärten. Jetzt muss man nur noch Schleifen und Lackieren und es entsteht ein Rohr.

Das ausgehärtete Gewebe, das auch Prepreg (vorimpregniert) genannt wird, wird zu einem Halbzeug verbaut. Es wird zu einem Bauteil, wenn es dann gefräst, gesägt usw. wird.

2. Unidirektionale Kohlefaser

Hier ist kein Gewebe vorhanden, sondern nur die unidirektionale Faser, bei der alle Fasern in eine Richtung gehen. Dabei nimmt man 20 Spulen des Rovings als Garn und verarbeitet diese über eine riesige Flechtmaschine zu einem noch größeren „Bungee Seil“, wie bei einer Strickliesel. Den Vorgang bezeichnet man auch als Pullwinding (von pull = ziehen und winding = wickeln).

Dieses „Riesen-Bungee Seil“ gibt man nun auch in ein Harz-Bad, durch eine beheizte Form hindurch, lässt es aushärten und erschafft so am Ende einen fertigen Vollstab. Pro Minute können dabei 2 Meter Stab aus dem Werkzeug gezogen werden per Pultrusion (von pull = ziehen und extrusion = das Durchdrücken).

Welches Verfahren wählt man nun?

Produkte aus Kohlefasergewebe (Prepreg) sind immer in Handarbeit gefertigt und deshalb immer kostbar. Man kann sich also aus Gewebe ganz individuell ein Produkt bauen lassen.

Die Pultrusion oder das Pullwinding mit der unidirektionalen Kohlefaser erfolgen über eine maschinelle Endlosfertigung, die sehr viel günstiger ist als die Handarbeit. Man benötigt aber mind. 200-300 Laufmeter, um überhaupt mit der maschinellen Fertigung zu beginnen.

Man sollte sich also immer entscheiden zwischen der endlosen Fertigung, die günstig ist, aber Volumen benötigt oder dem von Hand individuell angefertigten Einzelstück. Wenn jemand z. B. nur 3 Meter benötigt, macht man dies in Gewebe. Es kostet dann zwar pro Meter mehr, aber da keine 300 Meter benötigt werden, ist der Endpreis günstiger.