Die fantastische Faser: Nützliche Facts rund um die Carbonfaserherstellung

Ob Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie oder Medizintechnik – ein Werkstoff darf nicht fehlen. Die Rede ist von Carbon oder auch CFK. Sein Siegeszug durch die Industrie beginnt vor mehr als 40 Jahren, als er in militärischen Forschungszentren und bei der NASA zum Einsatz kam. Und heute? Carbon begegnet uns in fast allen Lebensbereichen, zum Beispiel als Prothese, auf der Straße in Form von Fahrradrahmen oder aber auch im BMW i3, dem ersten Serienauto mit einer Fahrgastzelle aus Carbon. Beginnen wir unsere Fahrt durch die eindrucksvolle Entwicklung dieses Werkstoffs.

Carbon, Carbonfasern und CFK – was denn nun?

Carbon – mit diesem Begriff kann so einiges gemeint sein. Zunächst einmal bezeichnet er das chemische Element Kohlenstoff. Kohlenstoff kann graphitartig angeordnet werden. In diesem Fall erhält man Kohlenstofffasern oder auch Kohlefasern bzw. Carbonfasern genannt (engl. carbon fibers). Dies geschieht durch chemische Reaktionen, bei denen Hitze eine wichtige Rolle spielt. Mehr zur Herstellung von Carbonfasern und wie Ofenanlagen von ONEJOON dabei ins Spiel kommen, lesen Sie weiter unten im Artikel.

Zur Prothese, dem Fahrradrahmen oder Skiern ist es nun noch ein weiterer Schritt: Spricht man hier von „Carbon“, so meint man CFK, kohlenstofffaserverstärkten bzw. carbonfaserverstärkten Kunststoff. Der Name legt bereits nahe, dass es sich hierbei um einen Verbundwerkstoff handelt. Dieser Werkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass Kohlefasern bzw. Carbonfasern in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind. Wieso macht man das? Die Matrix verbindet die Fasern miteinander und füllt gleichzeitig die Zwischenräume. Aus CFK kann man nun die verschiedensten Bauteile und Produkte formen – und diese haben eindrucksvolle Eigenschaften.

Leicht und zugfest

Carbon ist besonders leicht und härter als Stahl. Schauen wir uns dazu einmal die Carbonfaser genauer an: Sie hat eine siebenfach höhere Zugfestigkeit bei einem Viertel des Gewichtes von Stahl. Das ist sehr praktisch, wenn es auf eine schnelle Beschleunigung und hohe Geschwindigkeiten ankommt. Daher wundert es kaum, dass die Anfänge von Carbon als Werkstoff in den militärischen Luft- und Raumfahrzeugbau zurückreichen. Schwere Komponenten aus Metall konnten durch leichte CFK-Elemente ersetzt werden. Die Forschung begann in den 1960er-Jahren, Carbonfasertechnologie war zunächst äußerst kostspielig.

Herstellung: Schritt für Schritt zur fertigen Carbonfaser

Wie genau wird die Carbonfaser nun hergestellt? Den Ausgangsstoff bildet Polyacrylnitril, kurz PAN. Dieses PAN dient als Vorläufer (engl. precursor) der Carbonfaser. Etwa 90 % der hergestellten Carbonfasern bestehen aus PAN, die restlichen 10 % aus Erdölpech oder Kunstseide. Hier einmal die wichtigsten Herstellungsschritte in der Übersicht:

1. Die PAN-Fasern werden gleichmäßig nebeneinander aufgereiht und laufen über Rollen in die Ofenanlage.
2. Zuerst werden sie durch Pyrolyse oxidiert und stabilisiert. Die Fasern werden dabei immer dunkler, es bleibt fast ausschließlich Kohlenstoff zurück. Dieser ist in einem hexagonalen Gitter aus Atomen angeordnet.
3. Anschließend werden die Fasern bei extrem hoher Temperatur karbonisiert, um die molekulare Struktur zu verfeinern.
4. Die Fasern werden aufgerollt.
5. Das Endprodukt wird auf verschiedene Weise weiterverarbeitet, z. B. zu einer Matte verwoben oder nebeneinandergelegt und vernäht. Das Gewebe oder Gelege kann mit einem Verbundwerkstoff versehen werden, beispielsweise Epoxidharz. So erhält man sogenannte Prepregs, die direkt für CFK-Bauteile weiterverwendet werden können.

Wie man sieht, sind mehrere Produktionsschritte notwendig, um Carbonfasern herzustellen. Wir bei ONEJOON haben uns darauf spezialisiert, kundenspezifische Produktionsanlagen in einer Carbonfaserlinie zu integrieren – und sind in diesem Bereich Weltmarktführer. Ganz wichtig: Je nach Anlage und gewünschten Eigenschaften der Faser werden verschiedene Temperatur- und Karbonisierungsstufen eingebaut. Das erklärt die Anzahl der Öfen im Schaubild unten. Festigkeit, Steifigkeit und auch Bruchdehnung lassen sich dadurch genaustens beeinflussen.

Die derzeit größten Wachstumsmärkte

Aktuell lassen sich der Flugzeugbau, Windkraftanlagen sowie der Herstellung von Druckbehältern zum Speichern von Wasserstoff (H2) als größte Wachstumsmärkte im Bereich Carbonfaser identifizieren.

Im Flugzeugbau bringt der Einsatz von CFK statt Aluminium wie oben erwähnt signifikante Gewichts- und damit auch Treibstoffeinsparungen mit sich. Die Flügel von Windkraftanlagen wurden traditionell aus Glasfasern gefertigt. Der Switch hin zu Carbonfasern bewirkt hier ebenfalls Einsparungen im Gewicht. Zudem sind die hervorragenden Eigenschaften hinsichtlich Zug- und Druckfestigkeit von Vorteil, denn State-of-the-art-Windkraftanalagen mit Leistungen von 6 bis 9 MW erfordern Flügellängen von 70 bis 90 Metern. Bei dieser Länge unterliegen sie hohen Anforderungen hinsichtlich Durchbiegung und Steifigkeit – Anforderungen, denen Carbonfasern gewachsen sind. Nicht zuletzt entfaltet die CF-Technologie im Bereich der Brennstoffzelle seine Potenziale: Druckbehälter zum Speichern von Wasserstoff werden aus Carbonfasern hergestellt. So lassen sich beispielsweise bei Lastwagen oder Omnibussen ca. 450 kg Gewicht einsparen.

Carbon und das Klima: ein zweischneidiges Schwert

Die Gleichung könnte so einfach sein: leichte Bauteile = weniger Kraftstoffverbrauch = bessere Klimabilanz. In Teilen stimmt das auch, denn durch CFK kann gerade im Flugzeug-, Fahrzeug- und Maschinenbau einiges an Gewicht eingespart werden. Man stelle sich ein E-Auto einmal mit den konventionellen, eher schweren Bauteilen vor – seine Reichweite wäre stark beeinträchtigt. Doch auf der anderen Seite benötigt die CFK-Herstellung sehr viel Energie. Zudem kommt es zu großen Materialverlusten bei der Produktion.

Das Umweltinstitut bifa analysierte im Auftrag des Fraunhofer IGCV die Umweltbilanz bei der CFK-Herstellung und kam zu dem Schluss: Im Vergleich zur Treibstoffeinsparung bei der Fahrzeugnutzung bietet die CFK-Herstellung größere Potenziale zur Verbesserung der Klima- und Ressourcenbilanz. Vor allem der Einsatz erneuerbarer Energieträger spielt dabei eine wichtige Rolle.

Wir als Industrieofenbauer sind deshalb stetig dabei, unsere Anlagen hinsichtlich dieser Kriterien zu optimieren, um den CO2-Fußabdruck zukünftig senken und unsere Technologie so klimaschonend wie möglich gestalten zu können.

Fazit und Ausblick

Carbon bzw. CFK und seine Herstellung ist eine wichtige Zukunftstechnologie, die es vor dem Hintergrund der Klimabilanz zu verbessern gilt. Eine Option auf dem Weg zu grünerem Carbon: Algen. An der TU München wird ein Projekt gefördert, das sich der Herstellung von Carbonfasern aus Algen widmet. Das Team entwickelt aus diesen Algen PAN-Fasern, die anschließend CO2-neutral zu Carbonfasern verkohlt werden.

Die Vorteile von CFK sind für zukünftige Mobilitätskonzepte ausschlaggebend: Carbon ist leichter, härter und zugfester als Stahl. Besonders der Flugzeugbau, Windkraftanalagen oder Brennstoffzellentechnologie erweisen sich als starke Wachstumsmärkte. Allerdings ist die Herstellung von CFK besonders komplex, was die Darstellung der einzelnen Produktionsschritte veranschaulicht. Damit verbunden sind auch entsprechend hohe Kosten. Innovationen aus Carbon jedoch sind heute schon unverzichtbar – in Zukunft vermutlich erst recht nicht.