Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK)

Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK, kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, englisch CFRP, umgangssprachlich Carbon) ist ein Werkstoff aus Kohlenstofffasern, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, meist in Epoxidharz. Die Fasern tragen die Last, die Matrix hält sie in Position, überträgt die Kräfte zwischen ihnen und schützt sie. Die meisten Bauteile sind als Laminat aus mehreren Lagen aufgebaut, ihre Eigenschaften hängen deshalb von Fasertyp, Faservolumenanteil und Faserorientierung ab.

Die Fasern werden als Rovings geliefert, deren Filamentzahl in Tausend angegeben wird (zum Beispiel 3K oder 12K), als unidirektionale Lagen (UD) oder als Gewebe in Leinwand- oder Köperbindung, wobei die Köperbindung das typische Aussehen von Sichtcarbon ergibt. Standardfasern haben einen E-Modul von etwa 230 GPa, hochmodulige Fasern 350 GPa und mehr. Die Verstärkung wird entweder trocken mit separat dosiertem Harz verarbeitet (Handlaminieren mit Vakuumsack, Vakuuminfusion, RTM) oder als Prepreg, also als vorimprägniertes Halbzeug, das unter Wärme ausgehärtet wird, oft im Autoklaven. Rohre und Stäbe entstehen auch im Wickelverfahren und durch Strangziehen (Pultrusion).

Die Dichte von CFK liegt bei etwa 1,5 bis 1,6 g/cm³. Ein unidirektionales Laminat aus Standardfasern hat in Faserrichtung typischerweise einen E-Modul von 120 bis 150 GPa und eine Zugfestigkeit von 1,5 bis 2,5 GPa, quer zur Faser nur einen Bruchteil davon. Ein quasiisotropes Laminat, das sich in der Ebene in alle Richtungen annähernd gleich verhält, erreicht etwa 45 bis 60 GPa, also weniger als Aluminium, und bei rund 40 % geringerer Dichte nur eine etwas höhere spezifische Steifigkeit. Große Gewichtseinsparungen entstehen deshalb vor allem dort, wo die Fasern in Richtung der Hauptlast verlaufen. Die Wärmeausdehnung in Faserrichtung ist nahezu null.

CFK lohnt sich dort, wo Gewicht oder gewichtsbezogene Steifigkeit entscheiden: Rahmen für Drohnen und Roboter, Arme und Endeffektoren schneller Handhabungsgeräte (die geringere Massenträgheit erlaubt eine höhere Dynamik), Teile für Rennfahrzeuge und Flugzeuge, Sportgeräte, Prothesen und Orthesen, Antriebswellen und Walzen oder formstabile Rahmen von Mess- und Optikgeräten. Für Prototypen und Kleinserien werden oft fertige Halbzeuge verwendet: Platten, die durch Fräsen oder Wasserstrahlschneiden zugeschnitten werden, und pultrudierte oder gewickelte Rohre, die verklebt werden.

Für Abdeckungen und Teile ohne hohe Anforderungen an die Steifigkeit ist das günstigere GFK oft die bessere Wahl, für komplexe Teile in kleiner Stückzahl gefrästes Aluminium. Stützen Sie die Entscheidung auf eine Festigkeitsberechnung: Lassen sich die Fasern nicht entlang der Last ausrichten, fällt die Einsparung gegenüber Aluminium meist geringer aus als erwartet.

CFK ist spröde: Es verformt sich nicht plastisch, versagt schlagartig, und ein Schlag kann im Inneren des Laminats eine Delamination verursachen, auch wenn die Oberfläche unbeschädigt aussieht. Die Temperaturbeständigkeit bestimmt die Matrix. Bei Raumtemperatur härtende Harze erreichen ohne Tempern oft nur eine Glasübergangstemperatur von etwa 50 bis 70 °C, und Epoxidharz ohne Schutzlack wird durch UV-Strahlung geschädigt. Kohlenstofffasern sind elektrisch leitfähig, schirmen Funksignale ab und verursachen im Kontakt mit Aluminium oder Stahl Kontaktkorrosion des Metalls. Isolieren Sie die Kontaktflächen deshalb, zum Beispiel mit einer Lage Glasgewebe.

Bohrungen und Schraubverbindungen brauchen Einsätze oder Verstärkungen und ein begrenztes Anzugsmoment. Zum Bearbeiten sind Diamantwerkzeuge oder diamantbeschichtete Werkzeuge und eine wirksame Absaugung des leitfähigen, gesundheitsschädlichen Staubs nötig. Verwechseln Sie tragendes CFK nicht mit Filamenten für den 3D-Druck, die mit kurzen Kohlenstofffasern gefüllt sind, und nicht mit dekorativer „Carbon-Optik“: Deren Eigenschaften reichen bei Weitem nicht heran. Klären Sie mit dem Lieferanten Fasertyp, Lagenaufbau, Faservolumenanteil und Fertigungsverfahren.