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
| Faserverlauf | Vorteile | Nachteile | ||
| Unidirektional (UD) | Höchste Festigkeit und Steifigkeit in eine Richtung | Schwach bei seitlichen Kräften, weniger flexibel | ||
| Bidirektional | Festigkeit in zwei Richtungen, besser bei Querkraftbelastung | Reduzierte Maximalkraft in eine Richtung, höheres Gewicht | ||
| Multiaxial |
| Höheres Gewicht, höhere Kosten, aufwendige Fertigung | ||
| Quasiaisotrop | Gleichmäßige Festigkeit in alle Richtungen, gute Belastungstoleranz | Keine Maximalkraft in spezifische Richtung, komplexes Design |
Was bedeutet „3K“ im Zusammenhang mit CFK?
In der Welt der CFK-Materialien tauchen oft Bezeichnungen wie „3K“, „6K“ oder „12K“ auf. Diese Kürzel beziehen sich auf die Anzahl der einzelnen Filamente in einem Faserstrang (auch „Roving“ genannt). Jedes „K“ steht dabei für 1.000 Filamente. Ein 3K-Roving besteht also aus 3.000 einzelnen Kohlenstofffasern, während ein 12K-Roving 12.000 Filamente enthält.
Erklärung:
- 3K: Ein Faserbündel, das aus 3.000 Einzelfasern besteht.
- 6K: Ein Faserbündel, das aus 6.000 Einzelfasern besteht.
- 12K: Ein Faserbündel, das aus 12.000 Einzelfasern besteht.
Je mehr Filamente in einem Roving enthalten sind, desto dicker ist das Faserbündel. Dies hat Auswirkungen auf die Verarbeitung und die Eigenschaften des fertigen CFK-Bauteils.
Vor- und Nachteile der Filamentdichte:
3K-Fasern werden oft für feinere, leichtere Bauteile verwendet. Die dünnen Fasern sind flexibler, was eine präzisere Verarbeitung ermöglicht und in der Regel eine glattere Oberfläche ergibt. Diese Faserart ist ideal für Anwendungen, bei denen Gewicht und optische Qualität entscheidend sind, z. B. in der Luftfahrt oder bei hochwertigen Sportgeräten.
12K-Fasern sind dicker und steifer, wodurch sich diese eher für Bauteile eignen, die eine hohe Steifigkeit und Belastbarkeit benötigen. Sie werden häufig in der Automobilindustrie oder bei großvolumigen Strukturbauteilen verwendet, wo es auf maximale Festigkeit bei geringem Gewicht ankommt.
Zusammenfassung:
- 3K: Feinere Fasern, besser für präzise, leichte und optisch anspruchsvolle Bauteile.
- 12K: Dickere Fasern, ideal für große, robuste Strukturelemente.
Die Wahl zwischen 3K, 6K oder 12K hängt von der spezifischen Anwendung und den geforderten Eigenschaften des CFK-Bauteils ab. Je höher die Anzahl der Filamente, desto stärker und steifer wird das Material, allerdings auch weniger flexibel und etwas schwerer.
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.