CARBON

Werkstoffbezeichnung für in > Faserverbundbauweise hergestellte Bauteile, bei
denen > Kohlefasern das tragende Skelett bilden.

Um sie in Lage und Richtung zu fixieren, werden die Kohlefasern in einer >
Matrix aus > Harz oder thermoplastische Kunststoffe (> Thermoplaste)
eingebettet, was gleichzeitig die Formbeständigkeit der Bauteile bewirkt.

        Kohlefasern
Sie werden durch "Verkohlung" (Erhitzung unter Luftabschluß) aus gereckten
Kunststoffasern (z.B. Polyacrylnitril, PAN) mit einem Durchmesser von ca. 0,007
mm hergestellt, Einzelheiten s. > Kohlefasern.

Die so erzeugten Fasern besitzen nur 1/5 der > Dichte von > Stahl, weisen aber
ein rund fünffaches Elastizitätsmodul auf und übertreffen die > Zugfestigkeit
von Stahl je nach Herstellungsverfahren um den Faktor 3 bis 6.

        Matrix
Zum Fixieren der Fasern wird heute überwiegend Epoxidharz eingesetzt. Es ist
mechanisch belastbarer als das v.a. für Glasfaserverbundwerkstoffe verwendete
Polyesterharz und bewirkt daher eine höhere Formbeständigkeit der
Carbonbauteile.

Im Bestreben nach rationellen Herstellungsverfahren kommen v.a. für die
Rahmenherstellung durch sog. Tiefziehen (s.u.) heute vermehrt Thermoplaste zum
Einsatz. Sie besitzen außerdem den Vorteil eines rationellen > Recyclings
verbrauchter Carbonteile.

Anmerkung: Carbonbauteile ereichen nicht annähernd die physikalischen
Eigenschaften der Kohlefasern, können jedoch je nach Herstellungsverfahren
solche von Stahl überbieten.

        Grundsätzliches
Im Gegensatz zu den Metallen, deren Kristallstruktur annähernd gleichwertig
Belastungen in allen Richtungen widersteht, hängen die Belastbarkeit und das >
Elastizitätsmodul von Carbonteilen überwiegend vom > Faseranteil und der
Orientierung der Fasern ab (s.a. die unten stehende Tabelle).

        Faserlage
Die Auswirkungen der > Faserlage lassen sich anhand der nachfolgend
unterschiedlich konzipierten Rohre veranschaulichen:

Radiallagen: Die Fasern für ein Rohr werden nebeneinander aufgewickelt wie die
Fäden auf einer Garnrolle, man spricht von > Radiallagen: Das so hergestellte
Rohr besitzt eine hohe radiale Belastbarkeit, kann jedoch keine nennenswerten >
Biege- oder > Torsionsbelastungen aufnehmen.

Unidirektionallagen: Die Fasern werden ausschließlich in Längsrichtung des
Rohres verlegt, man spricht von > Unidirektionallagen. Dieses Rohr kann hohe
Biegebelastungen aufnehmen, jedoch keine nennenswerten Torsions- oder
Radialbelastungen.

0/90-Grad-Lagen: Das Rohr wird entweder aus Gewebe hergestellt oder besteht aus
aufeinander liegenden Radial- und Unidirektionallagen. Ein Teil der Fasern
verläuft nebeneinander, der andere Teil längs des Rohres, sog. > 0/90 Gradlagen.

Dieses Rohr ist sowohl radial, wie auch auf > Biegung belastbar, zeigt aber noch
Schwächen bei Torsionsbelastung. Anwendungsmöglichkeit: Rohr der >
Sattelstütze, da es sowohl der radialen Klemmbelastung wie der Biegebelastung
durch Fahrbahnstöße widersteht.

Diagonallagen: Die einzelnen Fasern oder Gewebe verlaufen kreuzweise unter ca.

45 Grad um das Rohr herum, sog. > Diagonallagen. Auch hier ist die Realisierung
a durch Gewebe möglich, oder s. > Carbon-Rohr mit aufeinanderliegenden, sich
kreuzenden 45-Grad-Lagen.

Dieses Rohr ist optimal für Torsionsbelastung ausgelegt, kann aber noch
hinlänglich Biege- und Radialbelastungen aufnehmen. Anwendungsmöglichkeit:

Rahmenrohr, da es > zusammengesetzen Belastungen unterliegt. Optimiert werden
könnte das Rohr hierzu jedoch durch zusätzlich aufgebrachte Unidirektionallagen,
um der ebenfalls im Fahrradrahmen herrschenden Biegebelastung besser widerstehen
zu können.

        Konstruktions-
        prizipien
Da die > Dichte von Carbonteilen um 1,45 kg/dm³ liegt, sollten Carbonteile im
Vergleich zu Metallteilen voluminöser und etwas dickwandiger ausgeführt werden.

Solche carbonspezifische Bauweise kann dann ihre Vorteile hinsichtlich > Biege-
und > Torsionsteifigkeit am besten ausspielen, da diese ja mit dem Durchmesser
in der dritten bzw. vierten Potenz ansteigen.

Beim > Rahmenbau beipielsweise ist die klassische > Diamantform für Carbon
ungünstig, obwohl > Rundrohrrahmen aus Carbon hier durchaus Vorteile
hinsichtlich > Seitensteifigkeit und Gewicht erbringen. Bei carbonspezifischen
Rahmenformen (s. > Carbonrahmen-Formen) wären die Vorteile noch gravierender.

Darüberhinaus warten solche Rahmen dann nicht mehr mit der vertikalen Härte der
Diamantrahmen auf, wären also entschieden komfortabler. Die weichen Übergänge
der einzelnen Rahmenpartien gewährleisten übrigens einen geradezu idealen
Kraftfluß, was sich wiederum günstig auf Baugewicht und Langlebigkeit
solchermaßen gefertigter Teile auswirkt.

        Harzanteil
Da das Harz nur faserfixierende Aufgaben innerhalb der Verbundes zu erfüllen
hat, bemüht man sich, deren Anteil zugunsten eines höheren Faseranteils zu
minimieren.

Andererseits müssen die Fasern auf jeden Fall rundum mit Harz benetzt werden, um
Formstabilität zu gewährleisten. Aus diesem Grunde erfolgt die Herstellung
i.d.R. mit leichtem Harzüberschuß, der dann nachträglich herausgepreßt wird.

Verfahren hierzu:

* Strammes Abbinden mit Gewebeband;
* Herauspressen durch leichtes Übermaß des Carbonrohlings in einer Form;
* Absaugen durch ein angelgtes Vakuum;
* Herauspressen durch einen in den Hohlkörper eingebrachten, unter Luftdruck
gesetzten Schlauch;
* Herauspressen durch einen sich bei Wärme ausdehenden Schaumkern.

        Tempern
Durch > Tempern läßt sich die Festigkeit von Epoxidharz steigern, was die
Carbonteile form- und temperaturbeständiger macht. Hierzu wird während oder nach
dem Aushärtvorgang des Harzes die Form samt innenliegendem Carbonteil auf 80 bis
120° C erwärmt.

Besonders wichtig ist diese Prozedur bei Carbonteilen, die hohen Temperaturen
ausgesetzt werden (z.B. Bremswärme bei > Scheibenrädern oder > Composite Wheels;
Sonneneinstrahlung auf Carbonteile im geschlossenen Autofond).

        Allgemeine Eigenschaften
Optimal ausgelegte Carbonteile zeichnen sich durch hohe Belastbarkeit bei
geringem Baugewicht aus. Faustregel: Bei gleicher Festigkeit und doppelter
Steifigkeit läßt sich das Gewicht im Vergleich zu Aluminium-Bauteilen halbieren.

Weiterhin besitzen Carbonteile eine noch bessere > Dauerschwingfestigkeit als
Stahlteile und sind ausgesprochen korrosionsbeständig. Ferner weisen aus
Gewebematten gefertigte Carbonteile etwas günstigere Dämpfungseingenschaften auf
als rein metallische Bauteile.

        Nachteile
Sehr geringe Bruchdehnung von nur 2 %, weshalb Carbonbauteile häufig mit
einzelnen Lagen aus der zäheren > Kevlarfaser oder mittels sog. > Hybridgewebe
hergestellt werden.

                Die Form
Um abmessungsgleiche Bauteile mit hoher Oberflächengüte herzustellen, sind
Formen nötig, orginalgetreue Negativabbildungen des späteren Bauteiles, in die
der Carbonrohling zum Aushärten hineingelegt oder (s.u.) gleich gefertigt wird.

Für Kleinserien reicht eine Kunststoff-Form. Zu ihrer Herstellung muß zunächst
ein orginalgetreues Modell angefertigt werden, welches durch Abgießen oder >
Laminieren in eine zwei- oder mehrteilige Form abgeformt wird. Die Kosten einer
Kunststoff-Form liegen beispielsweise für eine Fahrradrahmen
bei ca. DM 15.000,-.

Für Großserien ist eine Stahl- oder Aluminiumform erforderlich, die aus einem
Metallblock herausgefräst wird. Als Maßangabe dient entweder wieder ein
orginalgetreues Modell oder aber eine Zeichnung, von der die Maße
computergesteuert auf die Fräsmaschiene übertragen werden. Das ist wesentlich
preiswerter, die die Kosten einer Rahmenform liegen bei ca. DM 100.000,-.

        Herstellungesverfahren
Die Herstellung von Carbonteilen ist momentan noch mit viel Handarbeit verbunden
und daher vergleichsweise teuer.

Durch rationellere und v.a. maschinelle Herstellungsverfahren ist man jedoch
bemüht, Carbonteile kostengünstiger zu fabrizieren.

Heute kommen bereits fünf Herstellungsverfahren zur Anwendung, die übrigens auch
fortschreitend das Bestreben nach rationeller Fertigungsweise bekunden:

                Laminieren
Bei diesem klassisches Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen
benutzt man aus Kohlefasern gewebte Matten. Sie werden entsprechend
zugeschnitten, von Hand mit Harz eingepinselt und Schicht um Schicht in eine
zuvor hergestellte Form eingelegt. Daher auch die von lat. "Blatt", "Platte"
abgeleitete Bezeichnung "Laminieren".

Die Ausführung erfolgt i.d.R. mehrlagig, wobei man sich bemüht, möglichst viele
Fasern in der Belastungsrichtung verlaufen zu lassen. Beispiel: Bei
Scheibenrädern läßt man durch Einsetzen von kuchenstückähnlichen
0/90-Grad-Gewebeteilen möglichst viele Fasern radial verlaufen.

                Sandwichbauweise
Speziell beim Laminieren läßt sich relativ einfach die sogenannte >
Sandwich-Bauweise (Einzelheiten s.d.) realisieren. Per eingelegter
Zwischenschicht aus leichtem Schaum- oder Wabenmaterial kann hierbei das
Bauteilgewicht drastisch abgesenkt, die Steifigkeit dagegen z.T. sogar noch
erhöht werden. Erklärung: Die Kräfte verlaufen dann Ähnlich wie bei einem
dünnwandigem Rohr vorwiegend in den Randbereichen der Beuteile, die Bauteilmitte
wird wenig bis gar nicht belastet.

Die einzelnen Gewebestücke müssen sich beim Laminieren genügend weit überlappen,
damit die Kräfte "in den Fasern" bleiben. Faustregel: Die Überlappungen sollten
mindestens 30 mm betragen. Kürzere Überlappungen stellen Schwachstellen des
Laminats dar, an denen das Harz "gefordert" wird.

Weitere Schwachstellen entstehen, wenn das Laminat nach dem Aushärten der Form
entnommen und mit weiteren Laminaten zu einem Bauteil zusammengeklebt wird. Die
Klebenaht besitzt dann nur die Festigkeit und das > Elastizitätsmodul des
Klebers.

Bei aus zwei Schalen hergestellten  Fahrradrahmenrahmen kreuzen im späteren
Fahrbetrieb die diagonal umlaufenden > Torsionsbelastungen die Klebenaht, was
auf Dauer zum Lösen der Klebung führen kann. Aus diesem Grunde ist man bestrebt,
Rahmen gleich als fertige Einheit herzustellen, s. > Carbonrahmen:

Schalenrahmen.

In Laminatbauweise lassen sich nahezu beliebig komplizierte Körperformen
herstellen. Also nicht nur Fahrradrahmen und -komponenten, sondern auch
Bootskörper, Flugzeugteile, Windflügel etc.

Wenn sich das Laminieren durch die Verwendung sogenannter > "Pre-Packs" - das
sind mit Harz vorgetränkte "trockene" Matten, deren Harz erst bei höheren
Temperaturen wieder flüssig wird - vereinfachen läßt, ist es ob seines hohen
Handarbeitsanteiles vergleichsweise teuer.

Negativ auf die Steifigkeit laminierter Bauteile wirkt sich zudem der Umstand
aus, das die Fasern durch das Weben zur Matte leicht wellenförmig verlaufen. Mit
Kräften beaufschlagt, wirken die Fasern dann - übertrieben ausgedrückt - durch
Streckung wie eine Feder und erreichen damit nicht annähernd die vom
Elastizitätsmodul her zu erwartende Steifigkeit. Hinzu kommt, daß sich zwischen
den gewellten und sich kreuzenden Fasern mehr "Hohlräume" befinden, der
Harzanteil liegt gut über 30 %.

                Wickeln
Herstellen von Carbonteilen durch Umwickeln eines Kernes mit sog. "Rovings".

Die Rovings (Bündel von 1000 bis 30.000 einzelnen Kohlefasern) werden hierbei
zunächst mit Harz getränkt und gezielt entsprechend den später zu erwartenden
Belastungen orientiert.

Der Kern kann nach dem Aushärten entfernt werden oder verbleibt im Bauteil. Für
letzteres eignen sich besonders Schaumkerne, die nebenbei die Knickfestigkeit
von voluminösen Bauteilen erhöhen, Schwingungs-Resonanzen reduzieren und auch
übermäßige Geräuschentwicklung der ansonsten hohlen "Klangkörper" vermeiden. Das
Gewicht eines Schaumkernes für einen kompletten Fahrradrahmen wiegt dabei nur
etwa 150 bis 200 Gramm.

Symmetrische oder annähernd symmetrische Bauteile lassen sich heute bereits
automatisiert durch computergesteuerte Wickelmaschinen herstellen. Mittels
aufwendigen Wickelmaschinen ist es sogar möglich, auch komplizierte Hohlkörper,
z.B. einschwingige Fahrradrahmen herzustellen.

In der Regel wird beim Wickeln mit Rovings gearbeitet, die einen Harzbehälter
durchlaufen, wobei überschüssiges Harz gleich abgestreift wird. Zum Erzielen von
hoher Formtreue und Oberflächengüte werden die gewickelten Teile anschließend
ebenfalls in einer Form ausgehärtet und getempert.

Gewickelt werden heute Rundrohre aus Carbon, (s. > Carbonrohre) sowie bei den
Fahrradherstellern "Trek" und "Giant" > Muffen und > Gabelköpfe.

Der Vorteil der Wickelmethode liegt im geringeren Handarbeitsanteil und ist
damit relativ kostengünstig. Weiterhin verlaufen die einzelnen Fasern ungewellt,
was die Steifheit der Bauteile erhöht und den Harzanteil unter 30 % senkt. Das
erreichbare Elastizitätsmodul kann bei gewickelten Carbonteilen das von Stahl um
den Faktor 2 übersteigen.

                Wirken
Hierbei werden mit einer speziellen Maschine häkel- oder strickartig ganze
Körper derart engmaschig aus Rovings gewirkt, daß bereits eine leichte
Formbeständigkeit vorliegt. Danach erfolgt entweder die obligatorische Tränkung
mit Harz oder das Einspritzen eines Thermoplast-Kunststoffes.

Auch dieses Verfahren ist durch Automatisierung sehr kostengünstig und benötigt
eine Form, um Abmessungen einzuhalten und ein hochwertiges Oberflächenfinish zu
erreichen.

Für den Fahrradbereich findet das Wirken noch keine Anwendung, denkbar wären
jedoch so hergestellte Kleinteile wie Bremsen, Bremsgriffe, Schaltungskörper
etc.

Da beim Wirken ja die Fasern in allen erdenklichenen Richtungen verlaufen,
erhalten die so hergestellten Bauteile eine den Metallteilen gleichkommende
universelle Belastbarkeit. Zwangsläufig sind bei diesem Verfahren aber große
"Hohlraumanteile" vorhanden, der Harz- oder Thermoplastanteil liegt auf jeden
Fall bei gut 40 %.

                Tiefziehen von Organoblechen
Aus Carbonmatten werden mittels Tränkung mit einem thermoplastischen Kunststoff
zunächst die sog. "Organobleche" hergestellt. Diese werden anschließend analog
zur Herstellung von Blech-Karosserieteilen in großen Pressen tiefgezogen. Der
Anteil des fixierenden Thermoplastes liegt knapp über 30 % und entspricht dem
Harzanteil beim Laminieren.

Allerdings muß hierzu jedoch das Organoblech erwärmt werden, damit der
Thermoplast erweicht und den Verformungsvorgang mitmacht. Die hohe
Oberflächengüte des Verfahrens macht ein Oberflächenfinish überflüssig.

Durch Tiefziehen lassen sich mit diesem Verfahren kostengünstig Rahmen- oder
Laufradhälften herstellen, die anschließend jedoch zu einer Einheit verklebt
oder verschweißt werden müssen (s. > Kunststoffschweißen).

Die Haltbarkeit der so hergestellten Bauteile steht und fällt übrigens mit der
Ausführung dieser Nahtstelle, die auf jeden Fall zu einer Schwächung der
Bauteile führt. Denkbar wäre hier die Verbindung durch eine fast vergessene
Verbindungsform, das > Nieten, mit dem früher sogar Brücken und andere
Hochbaukonstruktionen verbunden wurden. Futuristische Formen verbunden mit
optisch hervorgehobenen Nieten, könnten hier reizvolle designerische Akzente
setzen.

Hergestellt werden nach diesem Verfahren bereits von der engl. Firma "Carbon
Design" der > "Infinity"-Rahmen sowie > Composite Wheels. Die deutschen Firmen
"Diamant" und "Biria" stehen in der Vorbereitung von tiefgezogenen Fahrradrahmen
und hoffen damit die Herstellungskosten unter 300 DM drücken zu können.

        Carbonfaserverstärkter Kunststoffspritzguß
Im > Spritzguß hergestellte Kunstoffteile, wobei dem zu verspritzendem
Kunststoff Carbonfasern beigemischt werden.

Damit später auf das Bauteil einwirkende Kräfte weitgehend von den Fasern
aufgenommen werden, müssen
* sich die Fasern genügend weit überlappen,
* der Faseranteil möglichst hoch sein,
* die Fasern, soweit es geht, in
  Belastungsrichtung orientiert sein.

Dementsprechend steigt dann die > Zugfestigkeit, das > Elastizitätsmodul erhöht
sich sogar drastisch, s. Tabelle.

Weiterhin sei noch die Lage der Fasern erwähnt, die speziell bei Langfasern mit
der Einspritzrichtung in die Form
beeinflußt werden kann.

Hergestellt werden mit diesem Verfahren und Carbonlangfasern von der Firma "GT"
bereits Composite Wheels, von Centurion eine Hinrrad-Federschwinge. Für
Fahrradrahmen und Kleinteile bietet sich das Verfahren ebenfalls an.

Der Thermoplastanteil liegt beim faserverstärkten Spritzguß je nach Verfahren
und Anforderung bei 65 - 8o %.

Eine Übersicht der mit den einzelnen Verfahren zu erzielenenden Zugfestigkeiten
und Elastizitätsmodule zeigt die nebenstehende Tabelle. Hierbei handelt es sich
um Anhaltswerte, da je nach Fertigung, Faserlage und verwendeten Matrix die
Werte um den Faktor 2-10 streuen können.

Tabelle: Mechanische Werte von Carbon-Bauteilen und Vergleichsmaterialien
Verfahren/Werkstoff     Dichte in kg/dm²        Zugfestigkeit in N/mm²
Elastizitätsmodul in N/mm²      Faseranteil in %
Laminieren      1,6     500     150.000 55-65
Wickeln 1,65    1200    400.000 um 70
Wirken  1,5     450     100.000 55-60
Tiefziehen      1,5     500     150.000 60-65
Kurzfasern 1-2 mm       1,3     150     12.000  20
Kurzfasern      1,4     250     22.000  30
Langfasern20-30 mm      1,4     350     100.000 30
Stahl   7,9     1000    210.000
Aluminium       2,7     450     70.000
Polyamid        1,2     80      1.000
Epoxidharz      1,3     120     3.000

Copyright und redaktionelle Inhalte:
Dipl.Ing.FH Christian Smolik 18.05.2000
technische Umsetzung:
Dipl.Ing.FH Jörg Bucher zuletzt am 18.05.2000