Kohlefaserteile

Nicht alle Carbonfasern sind gleich
Die meisten Kohlefaserteile bestehen zunächst aus einem trockenen Tuch, das mit einem flüssigen Harz kombiniert wird. Das Harz härtet zu einem festen Polymer aus, wodurch das Tuch seine Form behält und zu einem starren Kohlefaserteil wird. Das Erste, was Sie über Carbonfasern wissen sollten, ist, dass nicht alle Carbonfasern gleich sind. Diese Aussage bezieht sich nicht auf die verschiedenen Webarten des Stoffes oder die Faseranzahl wie 3k, 6k oder 12k, sondern auf den Fasergrad und die Qualität des Stoffes selbst.
Kohlefaser wird üblicherweise als Rolle aus gewebtem Stoff verkauft. Es stehen viele verschiedene Webmuster für Stoffe zur Auswahl, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Der Stoff selbst besteht aus Faserbündeln, sogenannten „Tows“, die miteinander verwoben oder vernäht sind. In jedem Faserbündel befinden sich einzelne Kohlefaserfilamente, die kleiner als ein menschliches Haar sind. Diese Filamente werden nach ihrer Qualität kategorisiert. Die Güteklasse ist ein wichtiger Faktor, der die Festigkeit und Steifigkeit eines Kohlefaserteils bestimmt.
Am unteren Ende des Spektrums befindet sich Kohlefaser in „handelsüblicher Qualität“, was recht häufig vorkommt. Es ist in der Regel am kostengünstigsten, weist jedoch im Vergleich zu höherwertigen Kohlenstofffasern auch eine geringere Festigkeit und Steifigkeit auf. Ihr orange hervorgehobener T300-Typ wird oft als handelsübliche Faser angesehen.
Harz ist genauso wichtig wie die Faser
Wie bereits erwähnt, ist Kohlefaser zunächst ein trockenes Tuch und kann nur durch die Kombination mit einem Harz in Form eines Verbundmaterials zu einem starren Teil werden. Der richtige Begriff für die Harzkomponente eines Verbundwerkstoffs ist eigentlich „Matrixmaterial“ oder einfach nur „Matrix“, in diesem Artikel wird sie jedoch als Harz bezeichnet. Eine vereinfachte Analogie wäre der Vergleich von Kohlefaserverbundwerkstoffen mit Beton und Bewehrungsstäben. Die Fasern tragen Zuglasten ähnlich wie Bewehrungsstäbe, und das Harz sorgt dafür, dass das Tuch seine Form beibehält und Drucklasten ähnlich wie Beton trägt. Eine Brücke oder ein Gebäude würde nicht nur aus Beton oder Bewehrungsstahl gebaut werden. Beides ist erforderlich, um die volle Festigkeit zu erreichen, die in einer Struktur erforderlich ist.
Im Falle eines Kohlefaserteils gilt das Gleiche. Ohne Harz könnten keine starren Kohlefaserteile hergestellt werden. In diesem Sinne ist das Harz der wahre unbesungene Held in jedem Kohlefaserteil, und die Auswahl des richtigen Harzes ist genauso wichtig wie die Auswahl der richtigen Kohlefaser.
Es ist wichtig, sich nicht nur auf die Kohlefaser zu fixieren und dann zu vergessen, welcher Harztyp verwendet wird. Es wurde ein Harz getestet, das angeblich eine Festigkeit bis zu 300 °F beibehält, aber wenn es bei hohen Temperaturen getestet wurde, wurde es weich und ermöglichte das Biegen von Teilen bei Temperaturen von nur 200 °F. Die Kohlefaser hat ihren Zweck erfüllt, das Harz jedoch nicht.
Kohlenstofffasern können zur Verbesserung der Haftung beschichtet werden
Kohlenstofffaserhersteller fügen ihren Stoffen spezielle Haftvermittler (auch als „Finish“ oder „Schlichtemittel“ bezeichnet) hinzu, um die Haftung des Harzes an ihnen zu erleichtern. Je nachdem, welches Harz ausgewählt wird, möchte es die Kohlefaser möglicherweise nicht benetzen und sich chemisch nicht mit ihr verbinden. Dies ähnelt im Prinzip der Tatsache, dass sich Öl und Wasser nicht vermischen. Dieselbe Situation wäre bei der Kombination von Kohlefaser und Harz unerwünscht. Daher wird ein Haftvermittler auf die Fasern aufgetragen, damit die beiden Materialien zusammenarbeiten können.
Die spezifische Chemie der Haftvermittler wird von den Carbonfaserherstellern oft geheim gehalten. Sie verschleiern die spezifische Beschichtung und offenbaren stattdessen nur die allgemeine Chemie, mit der die Beschichtung kompatibel ist. Ein Beispiel zur Hervorhebung der Koppelmittelkompatibilität ist in der Hexcel-Tabelle oben dargestellt. Denken Sie beim Experimentieren mit unkonventionellen Matrixmaterialien an den Haftvermittler.
Prozess bestimmt Eigenschaften
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Kohlefaserteile herzustellen, z. B. Nasslaminierung, Infusion, Prepreg oder sogar 3D-Druck. Mit diesen Methoden werden Teile mit unterschiedlichen Faser-zu-Harz-Verhältnissen und unterschiedlichen Mengen an Fehlern hergestellt, was zu unterschiedlichen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften im Endteil führt. Die Temperatur, bei der das Teil ausgehärtet wird, beeinflusst auch die Eigenschaften des Endteils.
Es gibt keinen offiziellen „besten“ Ansatz für die Herstellung eines Kohlefaserteils. Die beste Methode hängt wirklich vom Design des Teils und den Fertigungszielen ab. Für jede Methode gibt es Vor- und Nachteile.
Beispielsweise ist das Nasslaminieren kostengünstig und einfach durchzuführen, führt jedoch in der Regel zu Teilen, die inkonsistente physikalische Eigenschaften aufweisen und im Vergleich zu anderen Herstellungstechniken für Verbundwerkstoffe typischerweise schwerer sind.
Mit Prepreg-Kohlenstofffasern können hochwertige, leichte Teile hergestellt werden, diese Methode erfordert jedoch oft kostspieligere Werkzeuge wie Lagergefrierschränke und Autoklaven. Außerdem stehen weniger Harze und Webkombinationen zur Auswahl. Das Prepreg-Harz hat außerdem eine Haltbarkeitsdauer, was bedeutet, dass Prepreg-Material ablaufen kann und entsorgt werden muss, wenn es nicht innerhalb der Haltbarkeitsdauer verwendet wird
Körperliche Tests sind von entscheidender Bedeutung
Kohlefaser ist nicht wie Metall. Metalle sind im Allgemeinen isotrop, das heißt, sie haben in allen Richtungen die gleichen Eigenschaften, was Design und Analyse vereinfacht. Darüber hinaus sind die gemessenen mechanischen Eigenschaften für gewöhnliche Metalllegierungen gut etabliert. Das Gleiche gilt jedoch nicht für Verbundwerkstoffe, da diese nur begrenzt standardisiert sind und ein breites Spektrum an Material- und Prozessvariablen in Verbundwerkstoffen aufweist. Das bedeutet, dass Tests durchgeführt werden müssen, um sicherzustellen, dass Verbundteile die gewünschten Anforderungen erfüllen.
Im Luft- und Raumfahrtbereich besteht eine der besten Möglichkeiten zur Durchführung von Tests an Verbundwerkstoffen darin, dem „Bausteinansatz“ zu folgen. Diese Methode beginnt mit dem Testen allgemeiner Coupons und Elemente, um eine Datenbank mit Materialeigenschaften zu erstellen. Diese Daten werden verwendet, um das Design und Testen größerer Komponenten, dann von Unterbaugruppen und schließlich vollständiger Strukturen voranzutreiben. Jeder Testartikel muss repräsentativ für die Materialien und den Prozess sein, die in der endgültigen Struktur verwendet werden.
Es besteht die falsche Vorstellung, dass Kohlefaserteile allein durch Simulation validiert werden können. Analysetools wie die Finite-Elemente-Analyse (FEA) können bei der Gestaltung von Verbundbauteilen hilfreich sein, sie basieren jedoch auf Eingaben von Materialeigenschaften, die genau sein müssen, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Der beste Weg, genaue Zahlen für diese Eingabevariablen zu erhalten, sind physikalische Tests an repräsentativen zusammengesetzten Testproben. Ohne genaue Eingaben sind die Analyseergebnisse nur begrenzt nützlich. Um einer ungenauen Quantifizierung der Materialeigenschaften Rechnung zu tragen, müssen einem Design große Sicherheitsmargen hinzugefügt werden. Dies erhöht das Gewicht und macht letztendlich einen der Hauptgründe für die Wahl von Verbundwerkstoffen zunichte. Daher gibt es wirklich keine Möglichkeit, physikalische Tests vollständig aus dem Designprozess einer optimierten Verbundstruktur zu eliminieren.