Der Verlauf der Fasern bei CFK-Materialien – Varianten, Vor- und Nachteile

CFK (Carbonfaserverstärkter Kunststoff) ist ein Hochleistungswerkstoff, der sich durch seine Leichtigkeit, enorme Stabilität und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Eine zentrale Rolle für die Eigenschaften eines CFK-Bauteils spielt der Verlauf der Fasern, da diese den Großteil der Lasten tragen. Im Folgenden erklären wir die verschiedenen Varianten des Faserverlaufs bei CFK-Materialien und beleuchten deren Vor- und Nachteile.

1. Unidirektionaler Faserverlauf (UD-CFK)

Beim unidirektionalen Faserverlauf verlaufen alle Fasern in eine Richtung. Dies bedeutet, dass die Fasern in einer Schicht parallel zueinander ausgerichtet sind, um in dieser Richtung maximale Festigkeit und Steifigkeit zu gewährleisten.

Vorteile:

• Maximale Festigkeit in eine Richtung: Durch die Ausrichtung aller Fasern in eine Richtung können Kräfte besonders gut aufgenommen werden, wenn diese in Faserverlaufsrichtung wirken.
• Hohe Steifigkeit: Aufgrund der gezielten Faseranordnung ist das Material extrem steif in der Faserverlaufsebene.

Nachteile:

• Anfällig für Querrichtungskräfte: Das Material ist in der Richtung, die quer zur Faserverlaufsebene liegt, weniger stabil. Wenn Kräfte seitlich auf das Bauteil wirken, kann es leicht beschädigt werden.
• Einschränkung bei komplexen Belastungsszenarien: Da die Festigkeit nur in eine Richtung maximiert ist, ist UD-CFK weniger geeignet, wenn Belastungen in mehreren Richtungen auftreten.

2. Bidirektionaler Faserverlauf

Beim bidirektionalen Faserverlauf (auch als Gewebe oder Biaxialgelege bekannt) verlaufen die Fasern in zwei Richtungen, meist im 90-Grad-Winkel zueinander. Hier werden also zwei Schichten miteinander kombiniert, sodass sowohl in Längs- als auch in Querrichtung Stabilität gegeben ist.

Vorteile:

• Festigkeit in zwei Richtungen: Da die Fasern in zwei Richtungen verlaufen, wird das Material in beide Richtungen verstärkt, was es vielseitiger einsetzbar macht.
• Verbesserte Querstabilität: Die zusätzliche Faserlage in der Querrichtung erhöht die Festigkeit gegenüber seitlichen Kräften, was bei vielen Anwendungen von Vorteil ist.

Nachteile:

• Weniger maximale Festigkeit in eine Richtung: Im Vergleich zum unidirektionalen Faserverlauf muss die Festigkeit in eine Richtung reduziert werden, da auch Fasern in die Querachse eingebracht werden.
• Etwas höheres Gewicht: Durch den zusätzlichen Faserverlauf kann das Gewicht des Materials im Vergleich zu UD-CFK geringfügig höher sein.

3. Multiaxialer Faserverlauf

Beim multiaxialen Faserverlauf verlaufen die Fasern in mehreren Richtungen, oft in 0°, 45° und 90°-Richtungen. Diese komplexen Gelege oder Lagenverbunde bestehen aus mehreren Schichten, die in verschiedenen Winkeln übereinandergelegt werden.

Vorteile:

• Optimale Festigkeit in mehreren Richtungen: Durch den Verlauf der Fasern in verschiedenen Richtungen kann das Material sowohl axiale, diagonale als auch laterale Belastungen gut aufnehmen. Dies macht es ideal für komplexe Bauteile, die unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind.
• Hohe Flexibilität im Design: Ingenieure können durch die Anordnung der Fasern spezifische Belastungspfade optimieren und so CFK-Bauteile sehr präzise für spezielle Anwendungen konzipieren.

Nachteile:

• Aufwendige Fertigung: Die Herstellung von multiaxialen CFK-Gelegen ist komplexer und kostenintensiver, da mehrere Schichten exakt positioniert werden müssen.
• Gewichtssteigerung: Mehrere Schichten bedeuten zwangsläufig ein höheres Gewicht, was für einige Anwendungen ein Nachteil sein kann.

4. Quasiaisotroper Faserverlauf

Quasiaisotrope CFK-Bauteile entstehen durch das Anordnen der Fasern in verschiedenen Winkeln, sodass das Material in nahezu allen Richtungen ähnliche mechanische Eigenschaften aufweist. Eine typische Schichtung könnte Fasern in 0°, 90°, 45° und -45°-Richtungen kombinieren.

Vorteile:

• Gleichmäßige Festigkeit in allen Richtungen: Der quasiaisotrope Aufbau sorgt für eine gleichmäßige Festigkeit und Steifigkeit in mehreren Richtungen. Das Material kann also Lasten aus verschiedenen Richtungen gut aufnehmen.
• Gute Toleranz gegenüber unterschiedlichen Belastungen: In vielen praktischen Anwendungen, bei denen die Kräfte aus verschiedenen Winkeln kommen, ist diese Faseranordnung ideal.

Nachteile:

• Reduzierte maximale Festigkeit in spezifischen Richtungen: Da die Festigkeit auf mehrere Richtungen verteilt wird, erreicht das Material in keiner Richtung die maximale Festigkeit eines unidirektionalen Faserverlaufes.
• Komplexere Konstruktion: Das Design und die Berechnung quasiaisotroper Bauteile sind aufwändiger, da verschiedene Faserlagen kombiniert werden müssen.

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile

Die Wahl des passenden Faserverlaufs hängt stark von den Anforderungen der Anwendung ab. Während ein unidirektionaler Faserverlauf maximale Festigkeit und Steifigkeit in eine Richtung bietet, ist er weniger geeignet für komplexe Belastungen. Multiaxiale und quasiaisotrope Faserverläufe sind vielseitiger, aber auch schwerer und aufwändiger in der Herstellung.

Ingenieure und Designer sollten daher den Verlauf der Fasern genau an die zu erwartenden Belastungen anpassen, um das volle Potenzial von CFK auszuschöpfen.