So formen Sie Teile aus Kohlefaser | Supreem Carbon Expertenhandbuch

Umfassender Leitfaden zu Herstellungsprozessen für Carbonfaserteile für die Beschaffung

KohlefaserVerbundwerkstoffe gewinnen in vielen Branchen – von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zu Sportartikeln und erneuerbaren Energien – aufgrund ihres hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, ihrer Steifigkeit und Korrosionsbeständigkeit zunehmend an Bedeutung. Für Branchenexperten im Einkauf ist das Verständnis der verschiedenen Fertigungsprozesse entscheidend, um fundierte Entscheidungen zu treffen, Kosten zu optimieren und Qualität zu gewährleisten. Dieser Leitfaden befasst sich mit den wichtigsten Methoden der Formgebung.Carbonfaserteile, befasst sich mit allgemeinen Herausforderungen und skizziert wesentliche Maßnahmen zur Qualitätskontrolle. Dadurch wird das nötige Wissen für eine effektive Beschaffung vermittelt.

Welches sind die wichtigsten Methoden zur Herstellung von Kohlefaserteilen?

Die Wahl des Herstellungsverfahrens hat erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, die Kosten und die Skalierbarkeit der Produktion. Zu den wichtigsten Methoden gehören:

• Nasslaminat:Harz wird aufgetragen aufTrockenkohleFasergewebe direkt in der Form. Es ist arbeitsintensiv, bietet hohe Flexibilität bei komplexen Formen und niedrige Werkzeugkosten, aber die Teilekonsistenz und die mechanischen Eigenschaften können variieren. Wird typischerweise für Prototypen oder Kleinserienproduktion verwendet.
• PrepregLaminieren (und Aushärten im Autoklaven):Vorimprägnierte (Prepreg) Carbonfaserplatten, die bereits mit einer präzisen Harzmenge eingebettet sind, werden in eine Form gelegt. Dieses Verfahren bietet eine optimale Kontrolle des Faser-Harz-Verhältnisses und höhere mechanische Eigenschaften. Die Aushärtung erfolgt häufig in einem Autoklaven unter Hitze und Druck, was zu einem sehr geringen Porengehalt (oft <1 %) und einer hervorragenden strukturellen Integrität führt. Ideal für Hochleistungsanwendungen wie die Luft- und Raumfahrt, allerdings sind die Werkzeug- und Betriebskosten hoch.
• Harztransferformung (RTM) / Vakuumunterstützte Harztransferformung (VARTM):Trockene Kohlefaser-Vorformlinge werden in eine geschlossene Form eingelegt und Harz eingespritzt (RTM) oder mittels Vakuum eingesaugt (VARTM). Diese Verfahren bieten beidseitig eine gute Oberflächengüte, reproduzierbare Teilequalität und eignen sich für die Produktion mittel- bis großvolumiger, mittelkomplexer Teile. VARTM bietet flexiblere Formengestaltung und ist kostengünstiger als RTM.
• Formpressen:Vorgeformte Carbonfaserplatten (oft geschnittene Fasern oder Prepreg) werden in eine beheizte Form gelegt und durch Druck ausgehärtet. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Massenproduktion komplexer, filigraner Teile mit hervorragender Oberflächengüte und Maßgenauigkeit. Die Werkzeugkosten sind hoch, die Zykluszeiten jedoch kurz.
• Filamentwicklung:Mit Harz getränkte Endlos-Carbonfasern werden über einen rotierenden Dorn gewickelt. Dieses Verfahren eignet sich ideal für die Herstellung hohler, symmetrischer Teile wie Rohre, Tanks oder Druckbehälter und bietet hohe Festigkeit in bestimmten Richtungen. Es ist kostengünstig für große Stückzahlen zylindrischer oder konischer Formen.
• Pultrusion:Kohlenstofffasern werden durch ein Harzbad und anschließend durch eine beheizte Düse gezogen, die den Verbundwerkstoff formt und aushärtet. Dieses kontinuierliche Verfahren ist hocheffizient für die Herstellung von Profilen mit konstantem Querschnitt (z. B. Stäbe, Rohre, I-Träger) mit hervorragenden unidirektionalen Eigenschaften. Es ist sehr kostengünstig für die Herstellung linearer Teile in großen Stückzahlen.
• Additive Fertigung (3D-Druck):Neue Technologien wie FDM mit Endlosfaserverstärkung oder SLA/DLP mit geschnittenen Kohlenstofffasern ermöglichen schnelles Prototyping und die Herstellung komplexer Geometrien. Die mechanischen Eigenschaften verbessern sich zwar, erreichen aber im Allgemeinen noch nicht die Werte traditioneller Fertigungsverfahren für Strukturanwendungen.

Schlüsselfaktoren bei der Auswahl eines Carbonfaser-Herstellungsprozesses

Bei der Auswahl des optimalen Prozesses müssen mehrere kritische Faktoren abgewogen werden:

• Teilekomplexität und -geometrie:Für komplizierte Formen empfiehlt sich möglicherweise RTM oder Formpressen, während für einfachere Teile Pultrusion oder Filamentwicklung verwendet werden können.
• Produktionsvolumen:Für geringe Stückzahlen (Prototypen, Sonderteile) eignet sich Nasslaminat oder manuelles Prepreg. Mittlere bis hohe Stückzahlen profitieren von RTM/VARTM, Formpressen oder automatisierten Prepreg-Anlagen. Hohe Stückzahlen für konstante Profile sprechen für Pultrusion.
• Erforderliche mechanische Eigenschaften:Anwendungen, die höchste Festigkeit, Steifigkeit und minimalen Hohlraumgehalt erfordern (z. B. in der Luft- und Raumfahrt), erfordern typischerweise die Autoklavhärtung von Prepregs. Andere Verfahren bieten unterschiedliche Leistungsniveaus, die für kommerzielle oder industrielle Anwendungen oft ausreichend sind.
• Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit:Verfahren wie Formpressen und RTM sorgen für eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit auf beiden Seiten, die für ästhetische oder aerodynamische Anwendungen entscheidend ist.
• Kostenauswirkungen:Die Werkzeugkosten können von niedrig für Nasslaminat bis extrem hoch für Pressformen oder große Autoklaven reichen. Die Materialkosten variieren (Prepregs sind im Allgemeinen teurer als Trockenfasern und Harz). Auch Arbeits- und Energieverbrauch tragen erheblich dazu bei.
• Zykluszeit:Automatisierung und schnelle Aushärtungsprozesse (z. B. Formpressen, Pultrusion) ermöglichen sehr kurze Zykluszeiten, die für die Massenproduktion unerlässlich sind.

Typische Kosten bei der Herstellung von Kohlefaserteilen

Die Kosten für Kohlefaserteile sind ein komplexes Zusammenspiel von Rohstoffen, Werkzeugen, Arbeitsaufwand und Prozesseffizienz. Die genauen Zahlen variieren zwar stark je nach Teilegeometrie, Volumen und Materialart, aber einige allgemeine Beobachtungen lassen sich treffen:

• Rohstoffe:Kohlefaser selbst stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. Prepregs, die Konsistenz und Benutzerfreundlichkeit bieten, sind in der Regel teurer als der Kauf von Trockenfasern und separaten Harzsystemen. Marktanalysen zufolge können die Kohlefaserpreise je nach Qualität und Menge zwischen 20 und über 100 US-Dollar pro kg liegen.
• Werkzeuge:Dies sind oft die höchsten Anschaffungskosten. Autoklavformen oder Pressformen aus Invar oder Stahl können Hunderttausende bis Millionen Dollar kosten. Nasslaminatformen, oft aus Verbundwerkstoffen oder Holz, sind deutlich günstiger.
• Arbeit:Manuelle Prozesse wie Nasslaminieren oder manuelles Prepreg-Layup sind arbeitsintensiv und erhöhen die Stückkosten bei Kleinserienproduktion. Automatisierte Prozesse senken die Stückkosten.
• Energie:Aufgrund des hohen Wärme- und Druckbedarfs ist die Autoklavhärtung energieintensiv.
• Nachbearbeitung:Zu den Endkosten kommen noch das Zuschneiden, Bearbeiten, Bohren und Lackieren hinzu.

Bei der Massenproduktion können Verfahren wie Pultrusion oder Formpressen die Kosten pro Teil erheblich senken (z. B. auf unter 5–10 USD/kg für einfache Profile in sehr großen Stückzahlen), während die Kosten für komplexe Teile in Luft- und Raumfahrtqualität in kleinen Stückzahlen leicht über 1.000 USD/kg liegen können.

Häufige Herausforderungen bei der Herstellung von Kohlefaserteilen und Lösungen

Die Herstellung von Kohlefaserteilen ist kompliziert und kann mehrere Herausforderungen mit sich bringen:

• Hohlräume und Porosität:Im Laminat eingeschlossene Luftblasen beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften.
• Lösungen:Sorgfältiges Vakuumverpacken, ausreichender Vakuumdruck, ordnungsgemäße Entlastungsschritte, kontrollierter Harzfluss und optimierte Aushärtungszyklen (insbesondere in Autoklaven).
• Harzreiche/harzarme Bereiche:Ungleichmäßige Harzverteilung, die zu spröden (harzreichen) oder schwachen (harzarmen) Stellen führt.
• Lösungen:Präzise Kontrolle des Harz-Faser-Verhältnisses (Prepregs eignen sich hier hervorragend), optimierte Harzviskosität, kontrollierte Einspritzraten bei RTM/VARTM und gleichmäßiger Druck beim Formpressen.
• Delamination:Trennung von Verbundschichten, häufig aufgrund schlechter Haftung, übermäßiger Spannung oder eingeschlossener flüchtiger Stoffe.
• Lösungen:Richtige Oberflächenvorbereitung, kontrollierte Aushärtungstemperaturen und -drücke, Vermeidung übermäßiger Temperaturgradienten und sorgfältige Handhabung.
• Dimensionsinstabilität/Verzug:Teile verziehen sich während oder nach dem Aushärten aufgrund einer Nichtübereinstimmung der Wärmeausdehnung zwischen Faser und Harz oder aufgrund einer ungleichmäßigen Abkühlung.
• Lösungen:Optimiertes Formendesign, symmetrischer Laminataufbau, kontrollierte Abkühlraten und Nachhärtungsbehandlungen.
• Materialabfall:Beim Schneiden, Trimmen oder aufgrund von Defekten können teure Rohstoffe verschwendet werden.
• Lösungen:Software zur Nesting-Optimierung für Schnittmuster, Recyclinginitiativen für Kohlefaserabfälle (neu im Kommen) und robuste Prozesskontrolle zur Minimierung von Defekten.

Wesentliche Maßnahmen zur Qualitätskontrolle von Kohlefaserkomponenten

Die Gewährleistung der Qualität und Zuverlässigkeit von Kohlefaserteilen ist von größter Bedeutung. In jeder Phase wird eine strenge Qualitätskontrolle durchgeführt:

• Wareneingangsprüfung:Überprüfung der Spezifikationen, Haltbarkeit und Lagerbedingungen des Rohmaterials (Faser, Harz, Prepreg).
• In-Prozess-Überwachung:Echtzeitüberwachung von Vakuumniveaus, Temperaturprofilen, Druck und Harzfluss während des Laminierens, der Infusion oder des Formens, um sicherzustellen, dass die Prozessparameter eingehalten werden.
• Zerstörungsfreie Prüfung (NDT):Mit diesen Methoden lässt sich die innere Integrität bewerten, ohne das Teil zu beschädigen:
  • Ultraschallprüfung:Verwendet Schallwellen zur Erkennung innerer Fehler wie Hohlräume, Delaminationen und Fremdeinschlüsse. Wird häufig für kritische Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet.
  • Röntgen-/Computertomographie (CT):Bietet detaillierte interne Bilder, die zum Erkennen von Hohlräumen, Faserfehlausrichtungen und komplexen internen Strukturen nützlich sind.
  • Thermografie:Erkennt Defekte durch Beobachtung von Temperaturschwankungen auf der Oberfläche, die oft durch interne Fehler verursacht werden, die als Wärmesenken oder -quellen wirken.
  • Sichtprüfung:Unverzichtbar zum Erkennen von Oberflächendefekten wie Kratzern, Harzläufen, trockenen Stellen oder Faserfehlstellungen.
• Zerstörende Prüfung:Proben oder Opferteile werden bis zum Versagen getestet, um die tatsächlichen mechanischen Eigenschaften zu bestimmen:
  • Zug-, Druck-, Scher- und Biegefestigkeitstests:Messen Sie die Reaktion des Materials auf verschiedene Belastungsbedingungen.
  • Interlaminare Scherfestigkeit (ILSS):Misst die Bindungsstärke zwischen Schichten.
• Maßprüfung:Verwenden Sie Werkzeuge wie Koordinatenmessgeräte (KMGs) oder 3D-Laserscanner, um Teileabmessungen, Toleranzen und geometrische Genauigkeit zu überprüfen.

Durch das Verständnis dieser Prozesse, Herausforderungen und Qualitätskontrollmaßnahmen können Beschaffungsexperten fundierte Entscheidungen treffen, die zu hochwertigen, kostengünstigen Kohlefaserteilen führen und so Innovation und Leistung in ihren jeweiligen Branchen vorantreiben.