Wie werden Kohlefaserplatten hergestellt? Vom Rohstoff bis zur fertigen Platte
Kohlefaserplatten finden breite Anwendung im Sim-Racing, bei Drohnen, in der Robotik, bei Automobilkomponenten und bei leichten Industrieprodukten.
Sie werden wegen ihres hohen Steifigkeits-Gewichts-Verhältnisses, ihrer charakteristischen Weboptik und ihrer Gestaltungsflexibilität geschätzt.
Aber haben Sie sich schon einmal gefragt, wie eine flache Kohlefaserplatte eigentlich hergestellt wird?
Das Verständnis des Herstellungsprozesses kann Ingenieuren dabei helfen, das richtige Material auszuwählen, die Qualität zu beurteilen und Probleme bei der Beschaffung maßgefertigter Kohlefaserplatten zu vermeiden.
Lassen Sie uns die wichtigsten Schritte bei der Herstellung von Kohlefaserplatten durchgehen.
1. Auswahl des Kohlefaser- und Harzsystems
Eine Kohlefaserplatte ist in der Regel ein Verbundwerkstoff, der durch die Verbindung von Kohlefasern mit einem Polymerharz hergestellt wird.
Die Fasern sorgen für einen Großteil der Festigkeit und Steifigkeit des Werkstoffs, während das Harz die Fasern miteinander verbindet und die Lasten zwischen ihnen überträgt.
Die endgültigen Eigenschaften hängen von mehreren Faktoren ab, darunter der Fasertyp, das Harzsystem, die Faserausrichtung, der Faseranteilsanteil und das Herstellungsverfahren.
Für Käufer bedeutet dies, dass zwei Kohlefaserplatten, die ein ähnliches schwarzes Gewebe-Muster aufweisen, möglicherweise nicht dieselben mechanischen Eigenschaften besitzen.
Was Sie beachten sollten: Wenn Ihre Anwendung bestimmte Anforderungen an Steifigkeit, Festigkeit, Temperaturbeständigkeit oder Schlagzähigkeit stellt, erkundigen Sie sich nach den Materialspezifikationen, anstatt Ihre Wahl allein nach dem Aussehen zu treffen.
2. Vorbereitung der Faserverstärkung
Kohlefaserverstärkungen können verschiedene Formen annehmen, darunter Gewebe und unidirektionale Materialien.
Gewebte Kohlefasergewebe, wie beispielsweise 3K-Köpergewebe, werden häufig aufgrund ihres charakteristischen Oberflächenmusters und ihrer ausgewogenen Verstärkungseigenschaften in der Ebene ausgewählt.
Bei der unidirektionalen Bewehrung sind die meisten Fasern in eine Richtung ausgerichtet, was besonders dann von Vorteil ist, wenn die Belastungen entlang einer bestimmten Achse konzentriert sind.
Die Art und Ausrichtung der Bewehrung beeinflussen die Leistungsfähigkeit der fertigen Platte.
Für Produktdesigner ist die entscheidende Frage nicht einfach, welche Webart am besten aussieht, sondern ob die Verstärkung für den vorgesehenen Einsatzzweck geeignet ist.
3. Schichtung: Aufbau der Platte Schicht für Schicht
Bei vielen Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen wird die Verstärkung vor der Aushärtung in Schichten angeordnet.
Diese Phase wird gemeinhin als „Layup“ bezeichnet.
Die Anzahl der Schichten, ihre Ausrichtung und ihre Anordnung beeinflussen die Dicke sowie das mechanische Verhalten der fertigen Platte.
Beispielsweise kann bei einer Platte, die für Belastungen aus verschiedenen Richtungen ausgelegt ist, eine andere Laminataufbauanordnung zum Einsatz kommen als bei einer Platte, die hauptsächlich entlang einer einzigen Achse belastet wird.
Das ist ein Grund dafür, dass die Dicke der Kohlefaserplatte allein noch nicht alles über die Leistungsfähigkeit aussagt.
Ein nützlicher Konstruktionshinweis: Geben Sie bei der Bestellung von maßgefertigten Kohlefaserplatten nach Möglichkeit den Verwendungszweck und die Belastungsanforderungen an, insbesondere bei tragenden Bauteilen.
4. Harzimprägnierung und Aushärtung
Die Verstärkung muss mit Harz vermischt und verfestigt werden, um eine feste Verbundplatte zu bilden.
Der genaue Ablauf hängt vom Materialsystem und vom Herstellungsverfahren ab.
Beispielsweise enthalten Prepreg-Materialien Verstärkungsfasern, die bereits mit einer genau dosierten Menge Harz imprägniert wurden. Bei anderen Verfahren kann das Harz erst während der Produktion aufgetragen werden.
Je nach System kann die Aushärtung unter Einsatz von Wärme, Druck, einem Vakuumbeutel, einem Autoklav oder anderen kontrollierten Bedingungen erfolgen.
Während der Verdichtung und Aushärtung kommt es auf die Prozesssteuerung an. Eine unzureichende Verdichtung oder ein ungeeigneter Aushärtungszyklus können zu Mängeln wie Hohlräumen, ungleichmäßiger Dicke oder uneinheitlichen Materialeigenschaften führen.
Nicht jede Kohlefaserplatte wird nach dem gleichen Verfahren hergestellt, daher ist es wichtig, den Herstellungsprozess des Materials, das Sie kaufen, zu verstehen.
5. Zuschnitt, Endbearbeitung und Qualitätsprüfung
Nachdem die Verbundplatte hergestellt und ausgehärtet wurde, kann sie beschnitten, zugeschnitten, oberflächenbearbeitet und geprüft werden.
Je nach Verwendungszweck können folgende Aspekte für die Qualität von Bedeutung sein:
- Gleichmäßigkeit der Dicke: Erfüllt die Platte die vorgegebenen Anforderungen an die Dicke?
- Ebenheit: Ist das Blech für den vorgesehenen Montage- oder Bearbeitungsprozess ausreichend eben?
- Oberflächenbeschaffenheit: Sind das Webmuster, die Oberflächenbehandlung und die sichtbare Oberflächenqualität akzeptabel?
- Innere Beschaffenheit: Gibt es relevante innere Mängel, die geprüft werden müssen?
- Maßgenauigkeit: Entsprechen die Fertigmaße den Anforderungen der Zeichnung?
Die geeignete Prüfmethode hängt vom Anwendungsbereich und den Qualitätsanforderungen ab. Durch eine Sichtprüfung allein lassen sich nicht alle inneren oder mechanischen Eigenschaften überprüfen.
Soll die Platte zu Präzisionsbauteilen weiterverarbeitet werden, sollte auch bedacht werden, wie sich die Ebenheit, die Dicke und die Materialgleichmäßigkeit der Platte auf die fertigen Teile auswirken können.
6. Wie wählt man die richtige Kohlefaserplatte aus?
Bevor Sie Kohlefaserplatten für ein neues Produkt bestellen, sollten Sie diese fünf Punkte berücksichtigen:
1. Dicke und Abmessungen
Legen Sie die erforderliche Blechdicke, Länge und Breite sowie die zulässigen Toleranzen fest.
2. Oberflächenbeschaffenheit
Geben Sie die gewünschte Webart an, z. B. Leinwandbindung oder Köperbindung, sowie gegebenenfalls die gewünschte matte oder glänzende Oberfläche.
3. Mechanische Anforderungen
Berücksichtigen Sie die Steifigkeit, Festigkeit, Schlagzähigkeit und die Richtungen, in denen das Bauteil belastet wird.
4. Anforderungen an die Ebenheit und die Qualität
Geben Sie an, ob das Blech als sichtbare Verkleidung, als bearbeitetes Bauteil oder als Teil einer tragenden Baugruppe verwendet wird.
5. Weiterverarbeitung
Soll die Platte CNC-bearbeitet, graviert, gebohrt oder versenkt werden, teilen Sie uns diese Anforderungen bitte frühzeitig mit, damit wir gemeinsam das Material und das Fertigungsverfahren prüfen können.
Klare Spezifikationen tragen dazu bei, Missverständnisse zwischen Käufer und Lieferant zu vermeiden, und erleichtern die Beurteilung, ob ein Werkstoff für die jeweilige Anwendung geeignet ist.
Abschließende Gedanken
Die Herstellung von Kohlefaserplatten umfasst weit mehr als nur die Produktion einer schwarzen Platte mit einem charakteristischen Webmuster.
Die Verstärkung, das Harzsystem, der Schichtaufbau, der Aushärtungsprozess, die Endbearbeitung und die Qualitätsprüfung tragen alle zu den Eigenschaften des fertigen Materials bei.
Für Ingenieure und Produktentwickler erleichtert das Verständnis dieser Faktoren die Auswahl von Kohlefaserplatten auf der Grundlage funktionaler Anforderungen und nicht allein aufgrund des Aussehens.
Bei AluCarbon Tech unterstützen wir Kunden, die nach Lösungen mit Kohlefaserplatten und maßgeschneiderten Kohlefaserkomponenten für verschiedene Produktanwendungen suchen.
Wenn Sie ein neues Produkt entwickeln, ist es ein guter Ausgangspunkt für Gespräche über die Fertigung, wenn Sie die Abmessungen, die Anforderungen an die Dicke, die Oberflächenbeschaffenheit und den Verwendungszweck bereits parat haben.
Was ist bei der Auswahl von Kohlefaserplatten für Ihre Anwendung am wichtigsten: das Aussehen, die mechanischen Eigenschaften, die Maßhaltigkeit oder die Gesamtkosten?
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