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« Wenn geringes Gewicht gewichtig ist »
Leichtbau bedeutet nicht weniger robuste Bauteile. Leichtbau meint viel mehr, die gleiche oder sogar eine noch größere Festigkeit in einer Struktur zu bekommen, als es mit konventionellen Materialien möglich ist. Mit modernen Werkstoffen sind heute erstaunliche Verhältnisse zwischen Stabilität und Gewicht möglich. Ganz vorne mit dabei: Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff.
Leichtbau hat Tradition
In der Architektur finden sich die ersten Ansätze für den Leichtbau in der Gotik. Die filigranen und Licht durchfluteten Kathedralen und Schlösser orientierten sich nach einem Prinzip: Nur dort Material verbauen, wo es für das Abführen der Druck- und Windkräfte notwendig ist. Gab es vorher seit den Pyramiden nur schwere, wuchtige Burgen und Kirchen, waren plötzlich lichtdurchflutete und hohe Gebäude möglich. Die nächste Revolution im Leichtbau wurde zu einem Wahrzeichen der Moderne. Der Eiffelturm mit seinen über dreihundert Metern Höhe wurde nur zu einem einzigen Zweck errichtet: die Leistungsfähigkeit von Leichtbau zu demonstrieren. Tatsächlich ist Stahl, gemessen an den damals vorwiegend verwendeten Baumaterialien, immer noch als Leichtbaumaterial zu bezeichnen.
Beim berühmten Beispiel sprechen die Zahlen für sich: Das damals höchste Gebäude der Welt wiegt gerade einmal 7000 Tonnen. Das ist im Vergleich zu den damals üblichen Beton- und Natursteinkomplexen geradezu filigran. Neue Technologien erforderten auch neue Materialien. In der Luftfahrt war Stahl als Baumaterial unbrauchbar. Holz und andere natürliche Werkstoffe erwiesen sich bald als zu zerbrechlich. So setzte sich Aluminium über Jahrzehnte hinweg als Standard-Baumaterial in der Fliegerei durch. Doch selbst für Aluminium ist inzwischen die Stunde gekommen, in der es seine Alleinstellung als Leichtbaumaterial verloren hat. Innovative Werkstoffe laufen dem beliebten Metall den Rang ab. Sie leisten ähnliche Festigkeiten oder übertreffen es sogar – und das bei einem Bruchteil des Gewichts. Ganz vorne mit dabei: Die Kohlenstofffasern.
Mehr als nur schwarzer Dreck: Kohlenstoff
Kohlenstoff ist zunächst einmal ein ganz normales Element, wie jedes andere auch. Damit kann es die drei Aggregatzustände „Fest“, „Flüssig“ und sogar „Gasförmig“ annehmen. Für letzteres ist die technische Umsetzung jedoch extrem schwer. Bereits den Aggregatzustand „Flüssig“ bei Kohlenstoff zu erreichen, ist eine enorme technische Herausforderung: Kohle schmilzt erst bei 3400° Celsius.
Der Siedepunkt von Kohlenstoff liegt bei über 4800° Celsius. Das macht die Produkte aus Kohlenstofffasern noch recht teuer. Zum Vergleich: Glas verflüssigt sich bereits bei 600° Celsius, also bei einem Sechstel des Energieaufwands, der für Kohlenstoff nötig ist. Darum sind die technisch verwandten Glasfasern in vielerlei Hinsicht noch beliebter als die Kohlenstofffasern.
Gesponnene Kohle für Profile und Platten
Zur Herstellung von CFK, also kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, wird das elementare Graphit auf die besagten 3400° Celsius erhitzt und durch eine Matrize geführt. Der so gesponnene Faden wird zu Rovings, extrudierten Profilen und Geweben weiter verarbeitet.
Zusammen mit aushärtenden Harzen entstehen so CFK-Profile und CFK-Platten, aus denen sich viele Produkte herstellen lassen. Die auch als „Karbonfaser“ benannten Halbzeuge sind nicht nur enorm stabil. Sie sehen auch noch gut aus.
Beliebt bei Hobby-Tunern
Vielen Hobby-Tunern, die viel Zeit und Geld in die Verschönerung ihres Autos stecken, sind die Karbonfasern gerade gut genug. Aus ihnen lassen sich, mit dem nötigen Geschick, sehr ansprechende Verschalungen von Armaturenbrettern, Türverkleidungen und anderen Applikationen herstellen. Das hat natürlich nichts mit CFK Leichtbau zu tun. Es trägt aber dazu bei, dass das schöne und hoch belastbare Leichtbaumaterial einen großen Bekanntheitsgrad erreicht. Seine größte Stärke spielt der kohlenfaserverstärkte Kunststoff unter Last aus.
Technische Daten für CFK-Profile und Platten
Die Zugfestigkeit von Kohlefasern liegt bei enormen 140.000 N/mm². Wem diese Größe nichts sagt, der rechne es in Tonnen um: Es sind sagenhafte 14 Tonnen, die ein Kohlefaser-Seil mit nur einem Millimeter Querschnitt heben kann. Kaum verwunderlich, dass der CFK Leichtbau für echte Furore gesorgt hat. Schon heute ist überall dort, wo es besonders auf Leichtbauweise ankommt, kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff auf dem Vormarsch: Hochleistungs-Rennwagen wie in der Formel 1, Elektromobile und vor allem in der Fliegerei ist die Kohlefaser das neue Leichtbaumaterial Nr. 1. Jedoch muss sein Einsatz sehr genau berechnet werden: Die Stärke liegt bei Kohlenstofffasern auf der Zugbelastung. Bei Querbelastung reduziert sich die Widerstandskraft von diesem Leichtbaumaterial bereits um über 90%. Aus diesem Grund werden die Matten für CFK-Platten in zwei Richtungen gesponnen. Das konventionell in Längs- und Querfäden gesponnene Material kann so seine Festigkeit in immerhin zwei Dimensionen anbieten.
Halbzeuge für den Leichtbau
Im Handel sind die Halbzeuge aus Kohlenstofffasern inzwischen in breiter Auswahl erhältlich. Bei den Matten reicht die Bandbreite von locker gewebten Vliesen für wenige Euro pro Quadratmeter bis zu technisch extrem belastbaren High-Tech-Geweben für den zehnfachen Preis. Wer aber fertige Halbzeuge sucht, bei denen nicht erst mit Kleber hantiert werden muss, der sollte auf kohlenfaserverstärkte Kunststoff-Profile und Platten zurückgreifen.
Hier bietet der Bolek-Shop eine große Auswahl an. Angeboten werden Rundrohre, Vierkantrohre, Flach- oder Vollmaterial wahlweise in ästhetischer Hochglanz- Optik oder preiswerterem Matt. Das macht die Halbzeuge aus CFK sowohl für technische als auch für ästhetische Zwecke anwendbar.
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff in der Verarbeitung
Die Profile und Platten aus Kohlefasern sind erstaunlich gutmütig in der Verarbeitung. Das ist einer der Vorteile von der geringen Querkraft von diesem Fasermaterial: Stanzen, Sägen, Schneiden oder Schleifen ist mit den Produkten problemlos möglich. Das macht die Kohlenstofffasern auch ideal für Start-Ups, die sich mit diesem Leichtbaumaterial befassen. Die Investitionen in die notwendigen Maschinen sind relativ gering. Gute, gebrauchte Fräs- und Drehmaschinen sind vollkommen ausreichend, um innovative Eigenkreationen aus diesem hochfesten Leichtbaumaterial herzustellen.
Allerdings gibt es hier eine Einschränkung: Der Staub, der beim Verarbeiten von Profile und Platten aus Kohlefasern entsteht, ist in mehrfacher Hinsicht problematisch. Er ist extrem fein und lungengängig. Das macht ihn bei dauerhafter Exposition problematisch für die Gesundheit. Darüber hinaus birgt unkontrolliert frei gesetzter Kohlenstaub immer eine gewisse Brand- und Explosionsgefahr. Schließlich hat Kohlenstoff auch die Eigenschaft, elektrisch leitend zu sein. Das ist in vielen Anwendungen mehr als gewünscht, beispielsweise bei den Graphitstiften in elektrischen Handwerkzeugen oder Lichtmaschinen. Als frei gesetzter Staub kann er jedoch für Kurzschlüsse sorgen und schlimmstenfalls die ganze Werkstatt lahm legen.
Darum: Zur Verarbeitung der Profile und Plattenmaterialien aus Kohlefasern gehört immer auch eine zuverlässige und leistungsstarke Absaugung.
Die nächste Revolution wartet schon
Auch in der nächsten Entwicklungsstufe der innovativen Leichtbaumaterialien spielt der Kohlenstoff eine wichtige Rolle. Die Technik ist mittlerweile so weit, dass sie die einzelnen Atome von diesem Element gezielt anordnen kann. Der enorme Vorteil von Kohlenstoff ist seine atomare Struktur. Das Material hat Moleküle, die als Sechseck geformt sind. Wie man es von den Bienenwaben kennt, lässt sich aus Sechsecken eine enorme Vielzahl an Strukturen formen.
Dies machen sich die Forscher zu Nutze: In der Fläche ist „Graphen“ ein echter Zukunftswerkstoff. Dabei handelt es sich um eine Matte, die nur aus einer einzigen Atomlage besteht – theoretisch aber bereits ein ganzes Kilogramm heben kann. In der Länge sind die „Nanotubes“ das Äquivalent vom Graphen. Hierbei handelt es sich um Röhrchen, die nur aus einem einzigen Kohlenstoff-Atom im Querschnitt bestehen.
Die Phantasien leisten hier Pionierarbeit: Man träumt dank der Nanotubes bereits von Aufzügen, die bis in die Umlaufbahnen von Satelliten reichen. Das ist dann aber CFK-Leichtbau der nächsten Generationen.