Kohlenstofffaserverstärkte Compounds

Insbesondere, wenn ein geringes Bauteilgewicht und eine hohe Steifigkeit gefordert sind, können Kohlenstofffasern ihre Stärken ausspielen. Obwohl die Herstellung dieser Fasern schon seit einigen Jahrzehnten industriell beherrscht wird, haben bisher die hohen Faserpreise einer Verbreitung dieses Verstärkungsstoffes entgegengewirkt.

In den letzten Jahren ist der Einsatz von Kohlenstofffasergeweben nicht nur im Flugzeugbau, sondern auch bei Windkraftanlagen und seit wenigen Jahren auch im Fahrzeugbau deutlich intensiviert worden. Dadurch sind neue Kapazitäten für die Produktion von Kohlenstofffasern entstanden. Dies hatte jedoch bisher keinen maßgeblichen Einfluss auf die Faserpreise.

Kohlenstofffasern werden oftmals als Gewebe oder Gelege verwendet, wobei große Mengen an Randabschnitten anfallen, die im gleichen Prozess nicht mehr nutzbar sind.

Im Jahr 2013 ist die AKRO-PLASTIC GmbH, Compoundeur für technische Kunststoffe aus dem Rheinland-Pfälzischen Niederzissen, auf eben diese Abschnitte aufmerksam geworden und hat einen Prozess zu deren Aufbereitung entwickelt. Ziel dieses Verfahrens war es, die Abschnitte in eine für den Compoundierprozess geeignete Form zu überführen, das heißt die Eigenschaften der Kohlefasern vollständig zu erhalten und zugleich eine gute Dosierbarkeit der Fasern zu erreichen. Als Ausgangsstoff wurden Gewebeabschnitte, die z. B. in der Karosseriefertigung bei BMW angefallen waren, eingesetzt. Nach erfolgreicher Entwicklung des Aufbereitungsprozesses ist so innerhalb weniger Monate das AKROMID® ICF-Produktportfolio bei AKRO-PLASTIC etabliert worden. Für alle gängigen thermoplastischen Polyamide bietet der Compoundeur Kohlenstofffaserverstärkungen zwischen 10 % und 40 % an, wobei auch Sondereinstellungen, z. B. Mischung mit anderen Verstärkungsstoffen, möglich sind (siehe Tabelle 1).

Leichtbau ohne Kompromisse
Vergleicht man die mechanischen Eigenschaften der kohlenstofffaserverstärkten Polyamide mit denen herkömmlicher glasfaserverstärkter Compounds, erkennt man leicht, dass mit einer Kohlenstofffaserverstärkung mit deutlich reduziertem Verstärkungsgrad vergleichbare Eigenschaften erreicht werden können. Folglich können Bauteile mit geringerem Eigengewicht hergestellt werden, ohne Kompromisse bezüglich der technischen Eigenschaften eingehen zu müssen (siehe Grafik 1).

Nach der erfolgreichen Markteinführung seiner kohlenstofffaserverstärkten Polyamid-Compounds hat der Compoundeur nun auch weitere Werkstoffe auf Basis von Polyketon (AKROTEK® ICF) und PBT (PRECITE® ICF) entwickelt. Auch bei diesen Polymeren zeigen sich die überlegenen Eigenschaften der Kohlenstofffaser in gleicher Weise wie bei den Polyamiden (siehe Grafik 2).

Motorabdeckungen im PKW sind nahezu ausschließlich schwarz eingefärbt, weil sich bei den im Motorraum herrschenden Bedingungen die meisten Kunststoffe innerhalb weniger Stunden deutlich verfärben. Die hohen Temperaturen, der unvermeidbare Kontakt mit aggressiven Medien und die Notwendigkeit, Teile im Motorraum mehrfach demontieren und erneut montieren zu können, bedingen den Einsatz robuster Werkstoffe. Polymer der Wahl ist dabei Polyamid. Heute werden für Motorabdeckungen häufig mineral- oder glasfaser-mineralverstärkte Polyamide eingesetzt. Diese Werkstoffe lassen sich gut verarbeiten und erfüllen die mechanischen Anforderungen, die Oberflächenqualität dieser Bauteile ist jedoch nicht leicht zu kontrollieren. Die hohen Ansprüche der Designer lassen sich so nicht immer erfüllen. Kohlenstofffaserverstärkte Werkstoffe stellen hier eine hervorragende Alternative dar, weil die geforderten mechanischen Eigenschaften schon mit 10 %-igem Füllgrad problemlos erreicht werden können. Positiver Nebeneffekt ist dabei eine deutliche Gewichtsreduzierung um ca. 20% bei einer wesentlich homogeneren Oberflächenqualität

 Auch höchst anspruchsvolle Sichtbauteile können hergestellt werden. Frischluftgrills, wie sie in nahezu allen PKWs in ähnlicher Ausführung vorkommen, haben typischerweise horizontal verlaufende Lamellen, die aufgrund ihrer Funktion hochsteif sein müssen. Zudem befinden sich die Bauteile im direkten Blickfeld der Fahrzeuginsassen und sollten sich daher gut in das Konzept der Armaturentafel, insbesondere in Bezug auf die Wertigkeit, einpassen. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Oberflächenqualität der Kunststoffteile, besonders dann, wenn ein zusätzlicher Lackierschritt vermieden werden soll. Mit AKROLOY® PARA ICF 40 schwarz (6128) einem sehr steifen Material (E-Modul ca. 40 GPa), konnte die Dr. Schneider Unternehmensgruppe aus Kronach-Neuses nicht nur die rein technischen Anforderungen erfüllen, sondern auch Lamellen mit hervorragender Oberflächengute herstellen (Bild 3). Eingesetzt werden diese Frischluftgrills in der aktuellen 7er Reihe von BMW.

 Im Auge behalten sollte man beim Einsatz der ICF-Compounds daher nicht nur die herausragenden technischen Eigenschaften, insbesondere die hohe Steifigkeit kombiniert mit niedrigem Bauteilgewicht, sondern auch die Möglichkeit hochwertige Oberflächen darzustellen: „Leichtbau mit Ästhetik“.