Der ultimative Leitfaden zu Carbonfaser-Formen: Von geschnittenen bis hin zu kontinuierlichen Fasern – Wie trifft man die richtige Wahl, um Design und Fertigung zu optimieren?

Carbonfaser, häufig als das „schwarze Gold“ der modernen Industrie bezeichnet, liegt in einer Vielzahl von Formen vor, die unmittelbar die Verarbeitungsmethoden, Leistungsmerkmale und Anwendungsbereiche bestimmen. Von leichten und robusten kontinuierlichen Fasern bis hin zu formbaren geschnittenen Fasern – jede Form eröffnet neue Möglichkeiten für Innovationen in verschiedenen Branchen. Der erste Schritt, um die richtige Carbonfaser auszuwählen, besteht darin, die Unterschiede zwischen diesen Grundformen zu verstehen.

Kohlenstofffaser wird hauptsächlich aus Polyacrylnitril-(PAN-)Vorläuferfasern durch Verfahren wie die Hochtemperaturkarbonisierung hergestellt. Basierend auf der Endproduktlänge und nachfolgenden Verarbeitungsformen lässt sie sich hauptsächlich in die folgenden Typen unterteilen:

1.Ununterbrochene Kohlenstofffaser: Das Synonym für Hochleistung
Ununterbrochene Kohlenstofffaser bezeichnet Hochleistungsfilamente, die kilometerlang sein können und typischerweise als Garn oder Strang auf Spulen aufgewickelt werden. Jeder Strang besteht aus 1.000 (1K), 3.000 (3K), 12.000 (12K) oder sogar noch mehr einzelnen Filamenten. Eine niedrigere K-Zahl deutet in der Regel auf eine bessere Webbarkeit hin und ist geeignet für komplexe Kurven; eine höhere K-Zahl bietet höhere Laminier-Effizienz und ist ideal für Großstrukturen.

Leistungsmerkmale: Behält die höchste Festigkeit und den Elastizitätsmodul von Kohlenstofffaser bei und bietet außergewöhnliche mechanische Eigenschaften (z. B. Qualitäten wie T300, T700, T800). Es ist hochgradig anisotrop, was bedeutet, dass seine Leistung stark von der Faserorientierung abhängt. Konstrukteure können durch Schichtaufbau gezielt mechanische Anforderungen in bestimmten Richtungen erfüllen.

Anwendungsfelder:
- Ich weiß. Luft- und Raumfahrt: Flügel- und Rumpfstrukturen, Satellitenkomponenten, UAV-Arme.
- Ich weiß. Hochwertige Sportgeräte: Fahrrahmen, Tennisschläger, Angelruten, Rennboote.
- Ich weiß. Industrie & Energie: Windturbinenblatt-Profile, Wasserstoffspeicherzylinder, Roboterarme, leichte Walzen.

Marktpositionierung: Gehört zum Hochendmarkt mit hohen technischen Hürden und entsprechend höheren Preisen, die zwischen mehreren zehn und hundert Dollar pro Kilogramm liegen (je nach Qualität). Mit sinkenden Kosten dringt es zunehmend in Bereiche wie hochwertige Automobilkomponenten (z. B. Batteriegehäuse) vor.

2. Lange Kohlenstofffaser: Die Verstärkungsdomäne für Thermoplaste
Langes Kohlenstofffaser (LCF) bezeichnet typischerweise Fasern mit einer Länge von mehreren Millimetern bis zu mehreren Zentimetern, die hauptsächlich zur Verstärkung von thermoplastischen Polymeren verwendet werden und innerhalb der Granulate eine gewisse Orientierung und Länge beibehalten.

Leistungsmerkmale: Bietet eine überlegene Schlagzähigkeit, Steifigkeit und deutlich bessere Ermüdungsfestigkeit als geschnittene Fasern, da während des Spritzgießprozesses die Faserlänge besser erhalten bleibt und sich eine dreidimensionale Netzwerkstruktur bildet. Die Eigenschaften sind im Vergleich zu kontinuierlichen Fasern ausgewogener, wobei eine gewisse Anisotropie verbleibt.

Anwendungsfelder:
- Ich weiß. Automobilkomponenten: Motorabdeckungen, Sitzrahmen, Batterietableaus.
- Ich weiß. Elektronik & Elektrik: Laptop-Gehäuse, UAV-Rümpfe, Sensoren-Gehäuse.
- Ich weiß. Verbrauchsgüter: Gehäuse für Elektrowerkzeuge, Sportgeräte-Zubehör.

Marktpositionierung: Ein schnell wachsendes Segment, das hohe Leistung mit schnellen Verarbeitungsmöglichkeiten kombiniert und insbesondere für die Leichtbauweise im Automobilbereich und in der Verbraucher-Elektronik geeignet ist.

3. Geschnittene Kohlenstofffaser: Der Star-Füllstoff für modifizierte Kunststoffe
Geschrotete Kohlenstoffaser, typischerweise 0,1–12 mm Länge (übliche Länge 6 mm), erscheint kornförmig oder zylindrisch und wird zum Mischen und Modifizieren von thermoplastischen Harzen verwendet.

Leistungsmerkmale: Sorgt aufgrund der zufälligen Verteilung innerhalb der Matrix für isotrope Eigenschaften. Funktionell verbessert es die Festigkeit, Steifigkeit, Verschleißfestigkeit, elektrische/thermische Leitfähigkeit und Formstabilität des Ausgangsmaterials. Bietet hervorragende Verarbeitungsfließfähigkeit.

Anwendungsfelder:
- Ich weiß. Technische Kunststoffe: Zusatz zu Nylon (PA66, PA6), PPA, PP, PC, PPS, PEEK, LCP, usw., um verstärkte, antistatische und verschleißfeste Bauteile herzustellen.
- Ich weiß. Reibungswerkstoffe: Bremsbeläge, Kupplungsscheiben.
- Ich weiß. Funktionsmaterialien: Leitfähige Beschichtungen/Tinten, Betonverstärkung (Rissreduktion, Erhöhung der Zugfestigkeit).

Marktpositionierung: Eine der kostengünstigsten und meistverwendeten Formen, ein gewissermaßen „standardisierter“ Kohlenstoffaserverkauf. Wird durch die breite Nachfrage in industriellen und Verbrauchersektoren angetrieben.

4. Kohlenstoffasergewebe: Das Gerüst von Verbundwerkstoffen
Dies ist eine zweidimensionale Struktur, die durch das Weben von kontinuierlichen Kohlenstofffasersträngen mithilfe textiler Techniken entsteht, eine wichtige Zwischenform von kontinuierlichen Fasern. Dazu gehören gewebte Stoffe wie Leinwand-, Köper- und Satinbindungen sowie nicht gewalkte unidirektionale (UD) Gewebe. Bei UD-Geweben sind die meisten Fasern parallel in eine Richtung ausgerichtet und leicht in 90°-Richtung gesteppt, wodurch die Leistung in dieser Hauptausrichtung nahezu der der kontinuierlichen Faser selbst entspricht.

Leistungsmerkmale: Verschiedene Webarten bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Drapierbarkeit, Stabilität und mechanischen Eigenschaften. Sie ermöglichen ein einfaches Auflegen der Lagen für die Verbundstoffherstellung, insbesondere für Verfahren wie manuelles Laminieren, Vakuumbeuteltechnik und Autoklavhärtung. Zudem erlauben sie eine präzise Auslegung der strukturellen mechanischen Eigenschaften durch mehrachsige Lagenanordnung.

Anwendungsfelder: Flugzeugaußenschalen, Verkleidungen; Roboterarme; medizinische Bildgebungstischplatten; UAV-Rumpfstrukturen; Karosserieteile im Automobilbau.

5. Kohlenstoffaservorimprägnation: Die Wahl für Hochqualitäts-Prozesse
Dies ist ein Zwischenmaterial, bei dem kontinuierliche Kohlenstofffaser-Garne oder Gewebe mit einem teilweise vorgehärteten Harzsystem vorimprägniert sind.

Leistungsmerkmale: Vereinfacht den Prozess für den Anwender, da der separate Umgang mit Harz und die Imprägnation entfallen. Es ist lediglich das Schneiden, Auflegen und anschließende Aushärten unter Hitze und Druck erforderlich. Bietet hohe und gleichbleibende Qualität sowie präzise Kontrolle des Fasergehalts. Verursacht höhere Kosten aufgrund des Harzsystems und des komplexen Herstellungsprozesses. Erfordert Lagerung unter Kühlschutz.

Anwendungsfelder: Hochwertige Fahrradrahmen, Schläger, Skier; Sekundärstrukturen in der Luftfahrt (z. B. Innentafeln, Halterungen); leistungsstarke Automobilteile.

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