Alles über die Herstellung von CFK
Kohlenstofffasern dienen als verstärkende Komponente von kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CFK), die dann durch eine Polymermatrix, meist Epoxidharz, miteinander verbunden werden. Von der ersten Produktion der Kohlefaser bis zur endgültigen Aushärtung und Formgebung der Verbundstruktur umfasst die Herstellung von CFK eine Reihe entscheidender Phasen.
Die Carbonfaserherstellung ist der erste Schritt bei der Herstellung von CFK. Der Karbonisierungsprozess, bei dem Kohlenstofffasern entstehen, erfordert das Erhitzen eines Vorläufermaterials wie Pech oder Polyacrylnitril (PAN) auf hohe Temperaturen in einer sauerstoffarmen Atmosphäre. Durch die Entfernung von Nicht-Kohlenstoffbestandteilen und die Ausrichtung der Kohlenstoffatome entstehen sehr zähe und langlebige Kohlenstofffasern.
Sobald die Kohlenstofffasern hergestellt sind, werden sie typischerweise zu großen Spulen, sogenannten Kabeln, gebündelt. Anschließend werden diese Kabel weiterverarbeitet, um ihre Eigenschaften zu verbessern und eine korrekte Ausrichtung sicherzustellen. Dies kann Behandlungen wie das Leimen der Oberfläche oder das Aufbringen einer Schutzschicht umfassen.
Anschließend werden die Kohlenstofffasern mit einer Polymermatrix, häufig Epoxidharz, imprägniert. Dieses Verfahren wird als Resin Transfer Moulding (RTM) oder Prepreg-Ging bezeichnet. Die Fasern werden sorgfältig in der gewünschten Ausrichtung ausgelegt und manuell oder mithilfe automatisierter Maschinen mit dem Harz imprägniert. Das überschüssige Harz wird entfernt, um ein gleichmäßiges Faser-Harz-Verhältnis zu gewährleisten,das für die Erzielung optimaler mechanischer Eigenschaften entscheidendist.
Nach dem Imprägnierungsprozess wird das CFK-Material typischerweise in die gewünschte Form gebracht. Dies kann mithilfe verschiedener Techniken wie Auflegen, Filamentwickeln oder Pultrusion erfolgen. Einzelne CFK-Platten werden geschichtet und beim Auflegen durch Druck und Hitze miteinander verbunden. Endlose Kohlefaserkabel werden während des Filamentwickelprozesses in einem vorgegebenen Muster um einen Dorn gewickelt. Pultrusion ist eine kontinuierliche Technik, bei der CFK-Material durch Ziehen durch eine Matrize in einen konstanten Querschnitt geformtwird.
Anschließend wird die CFK-Struktur ausgehärtet, um das Harz auszuhärten und die Fasern nach der Herstellung der Form an Ort und Stelle zu binden. Beim Aushärten werden häufig Druck und Hitze gleichzeitig angewendet. Während des Aushärtungsprozesses im Autoklaven kann die CFK-Struktur hohen Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt sein. Alternativ kann auch die Out-of-Autoclave-Technik (OOA) eingesetzt werden, bei der die Aushärtung mithilfe verschiedener Wärmequellen oder Vakuumverpackungsmethoden erfolgt.