Carbonfasern, häufig auch Kohlenstoff- oder einfach nur Kohlefasern genannt, sind eines der beliebtesten Materialien in einer Vielzahl von Industrien. Insbesondere, wenn extraordinäre Stärke oder ein leichtgewichtiger Ersatz für Metalle benötigt wird, wie beispielsweise in der Automobilbranche oder der Luft- und Raumfahrt, bietet sich die Nutzung von Carbonfasern ideal an.
Diese Fasern besitzen einen Durchmesser zwischen fünf und sieben Mikrometern und werden in das Basismaterial eingearbeitet, um die Merkmale der Kohlenstofffasern mit denen des Basismaterials zu verknüpfen. Als Basismaterial können dabei viele verschiedene Werkstoffe, von ABS über Nylon bis hin zu PETG, dienen.
Im heutigen Blogpost soll es um die Vorzüge und einzigartigen Möglichkeiten, welche die Nutzung von Kohlefaserverbundwerkstoffen ermöglichen. Ich werde die einzelnen Eigenschaften, welche durch Carbonfasern verbessert werden, auflisten und jeweils kurz erklären, was genau die Kohlenstofffasern erreichen und wie es Ihrer Produktion hilft.
Festigkeit
Eines der Hauptargumente für carbonfaserverstärkte Werkstoffe ist die erhöhte Festigkeit der 3D-gedruckten Komponenten, welche durch die Verbindung mit dem Basismaterial erreicht wird. Insbesondere, wenn die Kohlefasern mit einem Basismaterial wie Polyamid, welches bereits von Grund auf eine sehr hohe Festigkeit besitzt, verbunden werden, lassen sich Bauteile mit einem Maximum an Festigkeit produzieren.
Diese maximierte Festigkeit ermöglicht es Bauteilen, ein absolutes Höchstmaß an mechanischer Belastung auszuhalten, bevor eine Verformung auftritt. Dies ist beispielsweise für Komponenten in Personenkraftfahrzeugen oder Flugzeugkomponenten wie Rotorblätter essenziell, um die massiven Belastungen bei Nutzung auszuhalten.
Steifigkeit
In eine sehr ähnliche Kerbe wie die Festigkeit schlägt die Steifigkeit. Durch eine Verstärkung von Matrixmaterial mit Kohlenstofffasern wird die Fähigkeit von Bauteilen erhöht, mechanischen Belastungen von außerhalb standzuhalten, bevor ein Bruch auftritt.
Auch diese Fähigkeit wird insbesondere in Industrien, bei denen die Bauteile hohe Außenkräfte aushalten müssen, sehr geschätzt. Neben den bereits genannten Industrien zählen hierzu auch das Militärwesen und der Werkzeug- und Formenbau.
Chemische Beständigkeit
Carbonfasern sind gegen die allermeisten Chemikalien hochgradig resistent. Somit kann die chemische Beständigkeit der Matrixmaterialien massiv verbessert werden, wobei chemisch anfällige Basismaterialien natürlich nicht plötzlich allen Chemikalien trotzen können. Ergo, eine gewisse Grundresistenz muss bereits beim Basismaterial vorhanden sein.
Kohlefaserverstärkte Materialien lassen sich dadurch ideal in Anwendungsgebieten und Industriezweigen einsetzen, bei denen es zu hoher und durchgängiger chemischer Belastung kommt, beispielsweise die Galvanik.
Hitzebeständigkeit
Nicht nur die Beständigkeit gegen Chemikalien, auch die gegen Hitze wird durch Carbonfasern verbessert. Carbonfaser selbst besitzt eine Schmelztemperatur von über 3.000 °C, wodurch mit den richtigen Basismaterialien eine Wärmeformbeständigkeit von über 400 °C keinerlei Schwierigkeit mehr darstellt, wie beispielsweise das Carbon PEEK Filament von Roboze eindrucksvoll beweist.
Diese erhöhte Hitzebeständigkeit ermöglicht weitere Einsatzmöglichkeiten, z. B. die Raumfahrt, bei der die strukturelle und funktionelle Integrität eines Bauteils in Notsituationen nicht nur zwischen Erfolg und Versagen, sondern zwischen Leben und Tod entscheidet.
Korrosionsbeständigkeit
Unsere letzte erhöhte Beständigkeit führt uns zur Resistenz gegen Korrosion, also gegen die Umgebungsreaktion einer Komponente. Insbesondere bei Außenanwendungen bieten sich mit Kohlenstofffaser verstärkte Materialien daher an, um Korrosionsvorgänge wie beispielsweise Rost bei seinen Komponenten vollständig zu vermeiden.
Zu solchen Außenwendungen zählt neben der Automobilindustrie insbesondere der Schienenverkehr. Komponenten mit Kohlenstofffasern sorgen hierbei unter anderem für umgebungsbeständigere Schienen, was der Bahnindustrie massiv Kosten einsparen kann.
Biokompatibilität
Auch im medizinischen Bereich können Carbonfasern punkten. Diese sind nämlich mit einer exzellenten Biokompatibilität ausgestattet, wodurch der kurz- und langfristige Kontakt mit Kohlenstofffaserkomponenten mit keinen Komplikationen verbunden ist.
Dadurch wird eine Vielzahl von medizinischen Applikationen eröffnet. Ob Prothetik, Orthesen oder sogar Dentalindikationen – kohlenstofffaserverstärkte Materialien machen diese Anwendungen kostengünstig und hochqualitativ möglich.
Leichtgewichtigkeit
Zu guter Letzt eine weitere der wichtigsten Besonderheiten von Carbonfasern – die enorme Leichtigkeit in Kombination mit der bereits besprochenen Festigkeit und Steifigkeit. Dadurch sind Materialien, die mit Kohlefasern versehen wurden, zu einem idealen Ersatz von Metallbauteilen, welche grundsätzlich weitaus schwerer und auch weitaus kostenintensiver in der Produktion sind, herangewachsen.
Diese Leichtgewichtigkeit hat insbesondere für Mobilitätsanwendungen einen riesigen Vorteil. Umso leichter das Fortbewegungsmittel, desto weniger Energie muss aufgewendet werden, um dieses zu bewegen. Die klimafreundlichen Bestrebungen der Automobil- und Luftfahrtindustrie werden somit durch die Nutzung von kohlenstofffaserverstärkten Materialien einen großen Schritt nach vorne gebracht.
Zusätzlich zu der generellen Leichtgewichtigkeit durch Carbonfasern lassen sich mit der Additiven Fertigung komplexe innere Strukturen wie Gitterstrukturen oder Hohlräume produzieren, wodurch das Gewicht eines Bauteils noch weiter reduziert werden kann.
Fazit
Die in diesem Blogpost vorgetragenen Vorteile sind nur die Spitze des Eisbergs. Je nach Applikationen bieten carbonfaserverstärkte Materialien noch eine ganze Menge weitere Vorteile, welche Ihre Bauteile von gut in ideal verwandeln können.
Wenn Sie bereits ein Projekt im Sinn haben, welches ideal von der Nutzung von Kohlenstofffasern profitieren würde, dann senden Sie uns einfach hier Ihre CAD-Datei und wir melden uns schnellstmöglich bei Ihnen, um Ihr Projekt mit Ihnen gemeinsam zu validieren.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit – und bis zum nächsten Blogpost!
