Wie Prepreg-Kohlenstofffasern hergestellt werden: Fertigungsschritte

Wie Prepreg-Kohlenstofffasern hergestellt werden: Fertigungsschritte

Überblick: Was ist Prepreg-Kohlenstofffaser und warum ist sie wichtig?

Prepreg-Kohlenstofffaser bezeichnet Kohlenstofffasergewebe, das mit einem teilgehärteten, duroplastischen Harzsystem (meist Epoxidharz) vorimprägniert wurde. Das Harz wird auf ein präzises Harz-Faser-Verhältnis und eine bestimmte Viskosität eingestellt und anschließend gekühlt, um die Aushärtung zu stoppen. So entsteht ein laminierfertiges Material, das gleichbleibende mechanische Eigenschaften, reproduzierbare Produktionsergebnisse und eine exzellente Oberflächengüte für Hochleistungs-Kohlenstofffaserbauteile bietet. Für Hersteller und Abnehmer von Prepreg-Kohlenstofffaserbauteilen hilft das Verständnis der Fertigungsschritte, realistische Erwartungen hinsichtlich Lieferzeiten, Kosten und Leistung zu entwickeln.

Schritt 1 – Rohstoffe: Auswahl von Fasern und Harzen für Prepreg-Kohlenstofffasern

Die beiden wichtigsten Komponenten sind die Kohlenstofffaserverstärkung und die Harzmatrix. Die Wahl der Kohlenstofffaser (Standardmodul, Intermediate-Modul, High-Modul) bestimmt Steifigkeit und Festigkeit; gängige Webarten sind Leinwandbindung, Köperbindung und unidirektionale Bänder, die für verschiedene strukturelle Anwendungen eingesetzt werden. Die Harzauswahl (Epoxidharze sind am weitesten verbreitet) definiert Aushärtungszeitpunkt, Glasübergangstemperatur (Tg), Zähigkeit und Einsatztemperatur. Prepregs mit hoher Tg werden für Motorraum- oder Hochtemperatur-Automobilbauteile verwendet; zähe Epoxidharze werden bevorzugt, wenn Schlagfestigkeit wichtig ist.

Wichtige wirtschaftliche Überlegungen bei der Spezifizierung von Prepreg-Kohlenstofffasern:

• Ziel-Tg (z. B. 120–200 °C für viele Epoxidsysteme)
• Gewünschte Faserarchitektur (Köperbindung für eine ansprechende Optik, UD-Bindung für eine hohe Festigkeit)
• Harzklebrigkeit und Handhabungsfenster (beeinflusst die Laminiergeschwindigkeit)
• Haltbarkeit und Handhabung bei Tiefkühllagerung

Schritt 2 – Harzformulierung und Qualitätskontrolle für Prepreg-Kohlenstofffasern

Die Hersteller formulieren das Harz mit kontrollierter Viskosität und partieller Aushärtung (B-Stufe), geeignet für die Imprägnierung. Additive wie Zähigkeitsverbesserer, Fließmittel und Trennmittel können hinzugefügt werden, um bauteilspezifische Anforderungen zu erfüllen. Die Qualitätskontrolle in dieser Phase ist entscheidend.

• Harzviskosität und Topfzeitprüfung
• Charakterisierung der Gelierzeit und Aushärtungskinetik
• Chargenrückverfolgbarkeit und Wareneingangsprüfung

Diese Kontrollmechanismen gewährleisten, dass das Harz die Faser gleichmäßig durchdringt und ein vorhersehbares Aushärtungsverhalten während der Autoklav- oder Ofenzyklen erzielt wird.

Schritt 3 – Imprägnierung: Die Faser präzise benetzen

Zu den gängigen Imprägnierungsverfahren für die Prepreg-Herstellung gehören:

• Heißschmelzen/Kalandern: Ein Harzfilm wird aufgetragen und zwischen Walzen in Faserbündel gepresst. Anschließend wird die Temperatur kontrolliert, um eine gleichmäßige Harzverteilung zu erreichen.
• Lösungsimprägnierung: Harz, gelöst in einem Lösungsmittel, durchdringt das Gewebe, anschließend wird das Lösungsmittel entfernt. Dieses Verfahren ist bei Hochleistungs-Prepregs aufgrund der Handhabung mit Lösungsmitteln weniger üblich.
• Harzfilmübertragung: Vorgefertigte Harzfilme werden auf Fasern aufgebracht und durch beheizte Walzen geführt.

Ziele während der Befruchtung:

• Präziser Harzgehalt (typischerweise in einem engen Bereich kontrolliert)
• Gleichmäßige Benetzung aller Fasern (keine trockenen Stellen)
• Gewünschter Faservolumenanteil (Fv)

Hersteller von Automobil- und Motorradteilen halten die Toleranzen für den Harzgehalt oft auf wenige Gewichtsprozent ein, um ein gleichbleibendes mechanisches Verhalten und eine gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit nach der Aushärtung zu gewährleisten.

Schritt 4 – B-Phase und Kühlung: Fixierung des Prepregs

Nach der Imprägnierung wird das Material teilweise ausgehärtet (B-Stufe), um Viskosität und Klebrigkeit auf ein kontrollierbares Niveau zu bringen. Anschließend wird es schnell abgekühlt, typischerweise auf Rollen gewickelt und in einem Kühlhaus gelagert. Die Kühlung verhindert die weitere Aushärtung und verlängert die Haltbarkeit. Typische Lagerverfahren:

• Gefrorene Lagerung bei etwa -18 °C (0 °F) für Haltbarkeitsdauern, die oft in Monaten angegeben werden (6–12 Monate sind je nach Zusammensetzung üblich).
• Kurzzeitige Lagerung bei kontrollierter Temperatur (Umgebungstemperatur für Stunden bis Tage, abhängig von den Lagerzeitvorgaben des Produkts)

Die Einhaltung korrekter Handhabungsprotokolle ist für die Konsistenz unerlässlich; Wärme oder verlängerte Auslagerungszeiten verringern die Klebrigkeit und können die Eigenschaften des Endprodukts verändern.

Schritt 5 – Zuschneiden, Konfektionieren und Laminieren von Prepreg-Kohlefaserteilen

Prepregs werden mithilfe von CNC-Schneidetischen in Lagen mit exakten Formen geschnitten. Für komplexeMotorrad aus KohlefaserBei Automobilteilen wird jede Lage nummeriert und in der Reihenfolge des Laminiervorgangs zusammengestellt. Je nach Komplexität und Stückzahl des Bauteils kann automatisiertes (robotergestütztes) oder manuelles Laminieren zum Einsatz kommen. Wichtige Punkte:

• Die Lagenorientierung muss den technischen Spezifikationen entsprechen (bei Hochleistungsbauteilen nach Möglichkeit Toleranzen von ±0,5°).
• Die Lagenfolge beeinflusst Festigkeit, Steifigkeit und ästhetische Oberfläche.
• Durch Entlüftungsschritte (Vakuum- und Niederdruckkonsolidierung) wird eingeschlossene Luft vor der endgültigen Aushärtung entfernt.

Gute Hersteller liefern detaillierte Laminierdokumentationen und Werkzeuge, die die Reproduzierbarkeit jeder Charge von Prepreg-Kohlenstofffaserteilen gewährleisten.

Schritt 6 – Vakuumverpackung, Werkzeugvorbereitung und Aushärtung (Autoklav oder Ofen)

Die abschließende Aushärtung verfestigt das Laminat unter Hitze und Druck. Zwei Hauptverfahren zur Aushärtung:

• Autoklavhärtung: Hoher Druck (oft 3–7 bar) und kontrollierte Temperaturrampen sorgen für eine überlegene Verdichtung und Reduzierung von Poren – Standard für Teile in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie für viele hochwertige Automobilteile.
• Ofenpress- oder Out-of-Autoclave-Verfahren (OOA): Hierbei werden passende Metallformen oder Spezialwerkzeuge verwendet, um eine Konsolidierung ohne vollen Autoklavendruck zu erreichen. OOA-Prepregs verfügen über eine speziell entwickelte chemische Zusammensetzung, um Lufteinschlüsse zu minimieren.

Ein typischer Autoklav-Härtungszyklus umfasst das Aufheizen auf die Härtungstemperatur, das Halten der Temperatur für die vorgegebene Zeit und das kontrollierte Abkühlen. Eine Nachhärtung bei erhöhter Temperatur ist üblich, um die Glasübergangstemperatur (Tg) zu maximieren.

Schritt 7 – Entformen, Beschneiden und Nachbearbeitung

Nach dem Aushärten und Abkühlen werden die Teile entformt, geprüft und auf die endgültigen Maße zugeschnitten. Zu den weiteren Arbeitsschritten gehören:

• CNC-Bearbeitung und -Bohrung
• Verklebung von Einsätzen oder Metallarmaturen
• Lackieren, Klarlackieren oder Polieren der Gewebeoberfläche für optische Komponenten

Toleranzkontrolle und Maßstabilität hängen von der Werkzeugqualität und dem Wärmemanagement während der Aushärtung ab. Bei kundenspezifischen Prepreg-Kohlefaserteilen ist häufig eine präzise CNC-Bearbeitung erforderlich, um die Passgenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit für den Fahrzeugeinbau zu gewährleisten.

Schritt 8 – Inspektion und Qualitätssicherung für Prepreg-Kohlenstofffasern

Eine umfassende Qualitätssicherung gewährleistet, dass jedes Teil den Spezifikationen entspricht. Typische Prüfverfahren:

• Sichtprüfung auf Oberflächenfehler
• Ultraschall-C-Scan- und Klopfprüfungen auf innere Hohlräume und Delaminationen
• Ultraschall-Dickenmessung zur Bestimmung der Laminatdicke
• Mechanische Prüfung von Proben auf Zug-, Scher- und Zwischenlageneigenschaften

Rückverfolgbarkeit (Chargencodes für Fasern und Harze) und Inspektionsberichte werden von OEMs und anspruchsvollen Kunden zunehmend gefordert.

Schritt 9 – Verpackung und Lagerung: Erhaltung der Integrität der Prepreg-Kohlenstofffasern

Fertige Prepreg-Teile oder vorgeschnittene Kits werden so verpackt, dass Feuchtigkeit, Verunreinigungen und Verformungen vermieden werden. Unverarbeitete Prepreg-Rollen müssen vor der Wiedereinlagerung gemäß den Herstellerangaben erneut eingefroren werden. Für Lieferanten von Fertigteilen minimiert eine sachgemäße Verpackung Transportschäden und optische Mängel.

Prepreg-Kohlenstofffaser vs. traditionelles Nasslaminieren: ein praktischer Vergleich

Nachfolgend finden Sie einen kurzen Vergleich, der Käufern hilft, zu entscheiden, welches Verfahren ihren Bedürfnissen entspricht.

Quellen für typische Prozessparameter und Abwägungen sind am Ende dieses Artikels aufgeführt.

Bewährte Fertigungspraktiken und häufige Fallstricke

Bewährte Verfahren:

• Strikte Kühlkettenkontrolle für die Lagerung und den Transport von Prepregs
• Detaillierte Laminierpläne und Verschachtelungsdateien für den CNC-Zuschnitt
• Durch Entlüftungsschritte und Vakuum während des Laminierens wird eingeschlossene Luft entfernt.
• Kontrollierte Aushärtungsrampen und aufgezeichnete Autoklav- oder Ofenprotokolle zur Rückverfolgbarkeit

Häufige Fehlerquellen:

• Lange Aushärtungszeiten bei Umgebungstemperatur führen zu unvollständiger Aushärtung und mangelhafter Konsolidierung.
• Unzureichende Vakuumverpackung führt zu Porosität
• Falsche Lagenorientierung oder fehlerhafte Bestückung führen zu struktureller Schwäche

Die Berücksichtigung dieser Faktoren reduziert Ausschuss, Nacharbeit und Gewährleistungsrisiken für kommerzielle Lieferanten von Prepreg-Kohlenstofffaserteilen.

Wie man Prepreg-Kohlefaserteile bei der Beschaffung spezifiziert

Wenn Sie als Käufer kundenspezifische Prepreg-Kohlefaserteile bestellen (z.B.Motorradteile aus Kohlefaseroder Automobilkomponenten), fügen Sie Folgendes in Ihre Spezifikation ein:

• Materialsystem: Kohlenstofffasertyp, Gewebeart und Harztyp (mit gewünschter Glasübergangstemperatur)
• Lageplan und Ausrichtung angeben (oder technische Zeichnungen beifügen)
• Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit (Klarlack, Lack, Rohgewebe)
• Toleranzen und kritische Abmessungen
• Umwelteinflüsse (UV-Strahlung, Chemikalien, Betriebstemperatur)
• Produktionsmenge und voraussichtliche Lieferzeiten

Lieferanten mit Erfahrung in der Verarbeitung von Prepreg-Kohlenstofffasern werden diese Anforderungen in Werkzeugvorschläge, Laminierpläne und Kostenschätzungen umsetzen.

Supreme Carbon: Maßgefertigte Prepreg-Kohlefaserteile und Fertigungsstärken

Supreem Carbon, gegründet 2017, ist ein spezialisierter Hersteller von kundenspezifischen Carbonfaserteilen für Automobile und Motorräder. Wir vereinen Forschung und Entwicklung, Design, Produktion und Vertrieb, um qualitativ hochwertige Produkte und Dienstleistungen anzubieten. Unser Schwerpunkt liegt auf der technologischen Forschung und Entwicklung von Carbonfaser-Verbundwerkstoffen sowie der Herstellung entsprechender Produkte. Zu unseren Hauptleistungen gehören die individuelle Anpassung und Modifizierung vonCarbonfaser-Zubehörfür Fahrzeuge sowie die Herstellung von Gepäckstücken und Sportgeräten aus Kohlefaser.

Wichtigste Fertigungsvorteile von Supreem Carbon für Prepreg-Kohlenstofffaserprojekte:

• Erfahrenes Forschungs- und Entwicklungspersonal sowie technische Mitarbeiter: 45 qualifizierte Produktions- und Technikmitarbeiter unterstützen die Prozessentwicklung und die Qualitätskontrolle.
• Eigene Produktionskapazität: ~4.500 m² Fertigungsfläche ermöglichen eine gleichbleibende Produktion und schnelle Skalierung.
• Produktvielfalt und Individualisierung: Über 1.000 Produkttypen mit mehr als 500 individuell gefertigten Kohlefaserteilen, die die Werkzeug- und Fertigungskompetenz unter Beweis stellen.
• Qualitätsorientierte Prozesse: Einsatz von präzisem CNC-Schneiden, kontrollierter Lagerung, Autoklav- und Ofenhärtungsmöglichkeiten sowie gründliche Prüfverfahren zur Herstellung von gleichbleibenden Teilen.

Kernproduktkategorien:

• Motorradteile aus Kohlefaser: Verkleidungen, Kotflügel, Zierteile mit Passform und Verarbeitung auf Erstausrüsterniveau.
• Automobilteile aus Kohlefaser: Innenausstattung, aerodynamische Außenteile, Leichtbaupaneele
• Kundenspezifische Kohlefaserteile: Maßgeschneiderte Projekte für OEMs, Tuner und Kleinserienhersteller

Die Vision von Supreem Carbon ist es, der weltweit führendeHersteller von KohlefaserproduktenFür Anfragen, Produktkataloge und Projektbesprechungen besuchen Sie bittehttps://www.supreemcarbon.com/.

Qualitäts-, Lieferzeit- und Kostenerwartungen für Prepreg-Kohlefaserteile

Qualität: Erwarten Sie gleichbleibende mechanische Eigenschaften und eine im Vergleich zu Nasslaminierverfahren überlegene Oberflächengüte. Lieferanten sollten Materialdatenblätter und Musterproben bereitstellen.

Vorlaufzeit: Bei Projekten zur Entwicklung neuer Werkzeuge umfassen die Vorlaufzeiten typischerweise die Werkzeugkonstruktion und -herstellung (2–8 Wochen, abhängig von der Komplexität), die Beschaffung von Prepreg-Materialien, die Mustererstellung und -validierung (2–6 Wochen). Die Serienproduktion kann beschleunigt werden, sobald Werkzeuge und Bausätze validiert sind. Losgrößen und kundenspezifische Oberflächenbehandlungen beeinflussen die Lieferzeiten.

Kosten: Prepreg-Bauteile sind aufgrund der Materialkosten, des speziellen Handlings, der Werkzeuge und der Autoklavhärtung in der Regel teurer als Nasslaminierteile. Die Stückkosten sinken jedoch mit steigender Produktionsmenge und zunehmender Automatisierung. Bei Hochleistungs- oder sichtbaren Bauteilen rechtfertigt die hohe Qualität oft die Leistung und das Erscheinungsbild.

Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsaspekte

Die Verarbeitung von Prepreg-Kohlenstofffasern erfordert Folgendes:

• Staubkontrolle beim Zuschneiden (HEPA-Staubsauger und persönliche Schutzausrüstung beim Schneiden ausgehärteter Bauteile verwenden)
• Sichere Handhabung und Lagerung von Harzen und Prepregs (Kühlkette und Maßnahmen zur Vermeidung von Leckagen)
• Ausreichende Belüftung während der Nachbearbeitung und Beschichtungsarbeiten

Die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen (lokale Sicherheitsstandards und Abfallentsorgungsvorschriften) ist Teil einer verantwortungsvollen Produktions- und Lieferkettenpraxis.

Häufig gestellte Fragen – Prepreg-Kohlenstofffaser: Antworten auf häufig gestellte Fragen

F: Wie lange ist die typische Lagerfähigkeit von Prepreg-Kohlenstofffasern?A: Die Haltbarkeit hängt von der Zusammensetzung und der Lagerung ab. Viele Prepregs sind bei Lagerung bei ca. -18 °C im Gefrierschrank 6–12 Monate haltbar; bei einigen Spezialsystemen kann dies abweichen. Hersteller geben für die Lagerung bei Raumtemperatur zulässige Lagerzeiten an.

F: Können Prepreg-Teile ohne Autoklav hergestellt werden?A: Ja – Prepregs, die außerhalb des Autoklaven (OOA) hergestellt werden, und die dazugehörigen Metallformverfahren ermöglichen eine Ofenhärtung ohne hohen Autoklavendruck. Die Autoklavhärtung führt jedoch im Allgemeinen zu einem geringeren Porenanteil und wird für Bauteile mit höchsten Leistungsanforderungen bevorzugt.

F: Wie wähle ich hinsichtlich der Optik zwischen Köper- und Leinwandbindung bei Prepreg-Kohlenstofffasern?A: Köperbindungen sind aufgrund ihres diagonalen, attraktiven Musters und ihres guten Falls für sichtbare Teile von Automobilen und Motorrädern beliebt; Leinwandbindungen bieten eine eher schachbrettartige Optik und oft eine höhere Stabilität. Unidirektionale (UD-)Bänder werden dort eingesetzt, wo eine gerichtete Festigkeit entscheidend ist.

F: Sind Prepreg-Kohlefaserteile reparierbar?A: Kleinere, lokale Reparaturen (Harzinjektionen, Ausbesserungen) sind möglich, erfordern jedoch geeignete Verfahren zur Reparatur von Verbundwerkstoffen. Größere strukturelle Reparaturen erfordern oft einen Austausch, um die Funktionsfähigkeit zu gewährleisten.

F: Ist Prepreg umweltfreundlicher als Nasslaminierung?A: Prepregs können durch präzisen Harzeinsatz und verbesserte Ausbeuten Abfall reduzieren, jedoch stellen Harzsysteme und das Recycling am Ende der Nutzungsdauer weiterhin Herausforderungen für alle Duroplast-Verbundwerkstoffe dar. Die Forschung an recycelbaren Matrixmaterialien und thermoplastischen Prepregs wird fortgesetzt.

Kontaktieren Sie Supreme Carbon – fordern Sie ein Angebot an oder sehen Sie sich unsere Produkte an

Für kundenspezifische Prepreg-Kohlefaserteile, Produktionsprototypen oder Serienfertigung von Kohlefaser-Motorradteilen, Kohlefaser-Automobilteilen oder anderen kundenspezifischen Kohlefaserteilen wenden Sie sich bitte an Supreem Carbon. Besuchen Sie unsere Website:https://www.supreemcarbon.com/Um Produktkategorien einzusehen oder ein Angebot anzufordern, können Sie sich an unser Team wenden. Wir beraten Sie gerne zu Materialauswahl, Werkzeugoptionen und Lieferzeiten, die auf Ihre Projektziele abgestimmt sind.

Referenzen und Quellen

• Technische Literatur und Produktinformationen von führenden Prepreg-Lieferanten und -Herstellern (z. B. Hexcel, Toray) bezüglich Prepreg-Lagerung, Aushärtungszyklen und Materialauswahl.
• Fachartikel und technische Kurzberichte von CompositesWorld über Prepreg-Herstellungsverfahren und die Verarbeitung im Autoklaven versus OOA.
• Standardverfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, die in Handbüchern für Verbundwerkstoffe und deren Verarbeitung beschrieben sind (allgemeiner Branchenkonsens über Vakuumsackverfahren, Entblähung und Qualitätskontrollmethoden).