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CFK: Die tollen Eigenschaften von Carbon

Wunderwerkstoff Carbon: die schwarze Revolution

25.01.2017, 10:05 Uhr | Uwe Kauss

Uhren, Autos, Skier: WANTED.DE zeigt, was der Wunderwerkstoff Carbon alles kann. (Quelle: Hublot)

Uhren, Autos, Skier: WANTED.DE zeigt, was der Wunderwerkstoff Carbon alles kann.

(Quelle: Hublot)
Aus diesen Fasern wird die Zukunft geflochten: Aus den Carbonfasern entsteht der ultraleichte Werkstoff CFK, der mittelfristig sogar Stahl ersetzen könnte. (Quelle: Carbon Composites / SGL Carbon)

Aus diesen Fasern wird die Zukunft geflochten: Carbonfasern sind das Basismaterial für den ultraleichten Werkstoff CFK, der mittelfristig sogar Stahl ersetzen könnte.

(Quelle: Carbon Composites / SGL Carbon)
Der limitierte BMW-Sportwagen M4 GTS ist mit sehr vielen Carbon-Komponenten ausgestattet. Sie sollen für eine gute Gewichtsverteilung und Aerodynamik sorgen. Die Motorhaube besteht ebenso aus CFK wie der Heckdiffusor. Zudem sind seine Carbonfelgen besonders leicht und stabil. (Quelle: BMW Group)

Der limitierte BMW-Sportwagen M4 GTS ist mit sehr vielen Carbon-Komponenten ausgestattet. Sie sollen für eine gute Gewichtsverteilung und Aerodynamik sorgen. Die Motorhaube besteht ebenso aus CFK wie der Heckdiffusor. Zudem sind die Carbonfelgen besonders leicht und stabil.

(Quelle: BMW Group)
BMWs Elektroauto i3 besteht zu rund 95 Prozent aus CFK. Nur eine tragende Stütze ist aus Aluminium, alles andere besteht aus Carbon. (Quelle: BMW Group)

BMWs Elektroauto i3 besteht zu rund 95 Prozent aus CFK. Nur eine tragende Stütze ist noch aus Aluminium.

(Quelle: BMW Group)
Edle Uhr aus Carbon: Bei der Hublot Big Bang Carbon bestehen Gehäuse, Lünette und Zifferblatt aus eigens gefertigtem CFK. Die Uhr kostet etwa 14.500 Euro. (Quelle: Hublot)

Edle Uhr aus Carbon: Bei der Hublot Big Bang Carbon bestehen Gehäuse, Lünette und Zifferblatt aus eigens gefertigtem CFK. Die Uhr kostet etwa 14.500 Euro.

(Quelle: Hublot)
Selbst für Gitarren eignet sich Carbon hervorragend: Korpus und Hals der Blackbird bestehen daraus. Die Akustikgitarre kostet etwa 2500 Dollar - umgerechnet rund 2200 Euro. (Quelle: Blackbird Guitars)

Selbst für Gitarren eignet sich Carbon hervorragend: Korpus und Hals der Blackbird bestehen daraus. Die Akustikgitarre kostet etwa 2500 Dollar - umgerechnet rund 2200 Euro.

(Quelle: Blackbird Guitars)
Carbon kann auch fliegen: Der Rumpf des 2014 ausgelieferten Airbus-Langstreckenjets A350 XWB besteht ebenso wie Leitwerk und Tragflächen komplett aus CFK. (Quelle: dpa)

Carbon kann auch fliegen: Der Rumpf des 2014 ausgelieferten Airbus-Langstreckenjets A350 XWB besteht ebenso wie Leitwerk und Tragflächen komplett aus CFK.

(Quelle: dpa)
Carbon kann auch fliegen – nicht nur als Rumpf eines Airbus 350. Die Hover-Drohne des chinesischen Startups Zero Zero Robotics ist extrem leicht und soll beste Flugeigenschaften bieten. Was sie kosten wird, steht noch nicht fest. (Quelle: Zero Zero Robotics)

Die Hover-Drohne des chinesischen Startups Zero Zero Robotics ist extrem leicht und soll beste Flugeigenschaften bieten. Was sie kosten wird, steht noch nicht fest.

(Quelle: Zero Zero Robotics)
Der beste Schutz für Bundesliga-Fußballer: Mit solchen individuell angefertigten Carbonmasken können Kicker antreten, selbst wenn sie einen Kieferbruch erlitten haben. (Quelle: Carbon Composite)

Der beste Schutz für Bundesliga-Fußballer: Mit solchen individuell angefertigten Carbonmasken können Kicker antreten, selbst wenn sie einen Kieferbruch erlitten haben.

(Quelle: Carbon Composite)
Skier aus Carbon sind extrem leicht, stabil und bieten beste Fahreigenschaften – wie hier das edle Modell von Audi. (Quelle: Audi)

Skier aus Carbon sind extrem leicht, stabil und bieten beste Fahreigenschaften – wie hier das edle Modell von Audi.

(Quelle: Audi)
Auch die geschwungenen Deckenträger bestehen aus elastischem Carbon. Bei der Sanierung von historischen Altbauten spielen Carbon-Elemente inzwischen eine wichtige Rolle. (Quelle: Enrico Lorenz)

Auch die geschwungenen Deckenträger bestehen aus elastischem Carbon. Bei der Sanierung von historischen Altbauten spielen Carbon-Elemente inzwischen eine wichtige Rolle.

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Feinste Fasern, ein Computer, Kunstharz und viel Energie: Daraus entstehen heute Flugzeuge, Formel-1-Boliden, E-Cars, Skateboards, Drohnen, Rotoren von Windkraftwerken, Brücken, Musikinstrumente, Medizingeräte und mehr. Carbon gilt als der Werkstoff, dessen Zukunft erst begonnen hat. WANTED.DE zeigt, was damit möglich ist. 

Seine Eigenschaften revolutionieren die Industrie: Carbon erreicht höchste Stabilität und Zugfestigkeit, ist extrem leicht und auch auf kleinster Fläche stabil. Doch das ist nicht alles: Je nach Verarbeitung ist der Werkstoff hervorragend strom- und wärmeleitfähig, flexibel, hitze- sowie kältebeständig und korrodiert nicht. Doch die Herstellung braucht viel Energie – und ist nicht billig.

Zunächst für die Raumfahrt entwickelt, war "carbonfaserverstärkter Kunststoff" (CFK) noch vor zehn Jahren in der Herstellung fast unbezahlbar. Daher kam er vor allem im Profirennsport zum Einsatz, etwa beim Radrennen oder der Formel 1. Heute wird es aufgrund seines geringen Gewichts bei Elektro-Autos eingesetzt, aber auch bei Passagierflugzeugen: Der Rumpf des 2014 ausgelieferten Airbus-Langstreckenjets A350 XWB besteht ebenso wie Leitwerk und Tragflächen komplett aus CFK.

Ein einziger Arbeitsschritt

Erstmals in der Industriegeschichte lassen sich die benötigten Eigenschaften eines Materials für Tennis- und Golfschläger, Karosserien von Formel-1-Fahrzeugen, Flugzeugteilen, Fahrrad-Komponenten oder Baustoffen am Computer definieren. "Bislang wurden Komponenten der Produktion etwa in der Stahlindustrie aus einem Grundstoff wie Eisen in Platten, Träger, Stäbe oder Drähte vorgeformt und danach in der Fabrik weiterverarbeitet. Mit Carbon entsteht das Werkstück und der Werkstoff mit Hilfe von 3D-Software in einem einzigen Vorgang. Härte, Elastizität, Festigkeit und Belastbarkeit lassen sich nun direkt von den Ingenieuren kontrollieren", erklärt Doris Karl vom Carbon Composites e.V. in Augsburg die revolutionäre Eigenschaft.

Im Verein haben sich die in Deutschland aktiven Hersteller von Carbon-Werkstoffen, die verarbeitende Industrie sowie Wissenschafts- und Forschungszentren als Netzwerk zusammengeschlossen. "Für die Industrie ist das eine ganz neue Dimension. Das Denken der Ingenieure ist ja noch von Stahl und Eisen geprägt. Aus einem Rohstoff entsteht ein Material wie Eisen, es wird veredelt, vorgeformt, später zu Komponenten verarbeitet und montiert. Das alles ist mit Carbon nicht mehr nötig."

Der Grundstoff für den BMW i3

BMWs Elektroauto i3 etwa besteht zu rund 95 Prozent aus CFK. "Nur eine tragende Stütze ist aus Aluminium, alles andere besteht aus Carbon", erzählt Karl. Bei-E-Autos bedeutet jedes Gramm Gewichtsersparnis mehr Akkulaufzeit. "Bei einer Präsentation konnte ich das komplette Chassis des i3 mit einer Kollegin hochheben und umhertragen", beschreibt sie die Leichtigkeit des Materials. Es wiegt ein Drittel weniger als Aluminium und nur die Hälfte von Stahl – bei ebenbürtiger Stabilität.

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Dazu entstehen schicke Designmöbel und Gadgets aus Sicht-Carbon: Etwa Füller, edle Manschettenknöpfe, Visitenkarten, Waschbecken, Lampen und Zigarrenetuis. Sicht-Carbon bietet nur wenige der Eigenschaften von hochbelastbarem Carbon. Das Material kostet daher drastisch weniger, aber seine Optik ist die gleiche. Es sieht hip und nach Hightech aus – und das hat auch seinen Preis.

Sport-Accessoires profitieren von Minimalgewicht

Beim Sport haben sich die Vorteile von Carbon längst durchgesetzt. Golfschläger aus dem Werkstoff wiegen nur knapp die Hälfte von Stahlschlägern der Ultraleichtklasse. Auf dem Platz ist das Schleppen eines Sets trotz höchster Präzision der Schläger damit deutlich entspannter. Mit dem Carbon-Schläger kann man zudem besser beschleunigen und weitere Bälle schlagen.

Mountainbikes der Carbon-Generation sind ebenfalls deutlich leichter als die mit Alu-Rahmen. Der Rahmen bringt meist weniger als ein Kilogramm auf die Waage - bei höchsten Steifigkeitswerten. Damit wiegt ein Mountain-Bike wie das Canyon Spectral AX 9.0 SL nur noch knapp elf Kilogramm. Noch vor ein paar Jahren war so ein Gewicht kaum vorstellbar.

Anwendung bei Drohnen und in der Medizin

Zudem steht die erste Carbon-Drohne auf der Startbahn: Das chinesische Startup Zero Zero Robotics hat mit "Hover" das nur 238 Gramm leichte Modell vorgestellt. Die bekannte Bebop-Drohne ohne Carbon wiegt knapp das Doppelte. Das gesparte Gewicht erlaubt es den Entwicklern, eine leistungsfähigere und damit schwerere Kamera einzusetzen – auch hier zählt jedes Gramm. "Hover" soll in Kürze verfügbar sein, der Preis steht noch nicht fest.

Und selbst in der Fußball-Bundesliga hat Carbon einen festen Platz: Beispielsweise konnte kürzlich der Hertha BSC-Stürmer Vedad Ibisevic trotz seiner gebrochenen Kieferhöhle spielen – er trug eine speziell angefertigte, schützende Carbonmaske über dem Gesicht.

Wo kommt CFK eigentlich her?

Carbon-Werkstoffe werden meist aus 0,007 starken Kohlenstofffasern hergestellt – das Haar eines Menschen ist rund zehnmal dicker. Diese Fasern werden mit Epoxydharz zu CFK in Laminatschichten gepresst, deren Grafitmoleküle in einer Richtung angeordnet sind oder verschieden ausgerichtet werden. Daraus entstehen die vorher am Rechner definierbaren Materialeigenschaften.

Die Geschichte des Carbon beginnt schon den 1870er-Jahren. Glühbirnen-Erfinder Thomas Alva Edison war der erste, der mit Carbonfasern experimentierte. Für den Glühfaden seiner Birne suchte er nach einem Material, das elektrische Leitfähigkeit mit Biegsamkeit und Robustheit verband. Nach langer Forschungsarbeit fand er eine japanische Bambusart, deren Fasern er durch Erhitzen verkohlt hatte. Im 20. Jahrhundert waren es japanische Unternehmen, die bei der Produktion von Kohlenstofffasern voran gingen. "Der Markt ist derzeit in Bewegung, aber die Fasern stammen auch heute noch vor allem von zwei Herstellern aus Japan", sagt Expertin Karl. Mittlerweile seien aber auch Produzenten aus den USA sehr erfolgreich. Künftig könnten die Fasern für CFK auch aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden. Bislang entstehen sie vor allem aus Erdöl – und das wird in absehbarer Zeit verbraucht sein. Doris Karl kennt die Richtung: "Fasern aus Hanf könnten der Grundstoff der nächsten Generation sein."

Quelle: Uwe Kauss

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