Carbon bezeichnet im Alltag meist einen carbonfaserverstärkten Kunststoff, kurz CFK. Der Werkstoff besteht aus dünnen Carbonfasern, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Erst dieses Zusammenspiel bildet das fertige Material für Bauteile wie Fahrradrahmen, Laufradfelgen, Fahrzeugteile oder Sportausrüstung. Die Carbonfasern allein sind daher nicht mit einem vollständigen Carbonbauteil gleichzusetzen.
Was bedeutet Carbon genau?
Carbon ist die englische Bezeichnung für Kohlenstoff, ein chemisches Element. Im deutschen Sprachgebrauch steht „Carbon“ bei technischen Produkten meistens für Kohlenstofffasern oder für CFK. Die Bezeichnung ist deshalb nicht immer eindeutig.
- Kohlenstoff: ein chemisches Element mit verschiedenen Erscheinungsformen.
- Carbonfaser oder Kohlefaser: sehr feine Fasern aus kohlenstoffhaltigem Material.
- CFK: ein Verbundwerkstoff aus Carbonfasern und einer Kunststoffmatrix.
- Graphit: eine bestimmte Strukturform des Kohlenstoffs. Graphit ist nicht automatisch Carbonfaser oder CFK.
- Kohlenstoffstahl, Karbonstahl oder Carbon Steel: Stähle mit Kohlenstoffanteil. Sie haben mit Carbonfaserverbundwerkstoffen nichts gleichzusetzen.
Auch „Carbon-Look“, „Carbon-Optik“ oder „Carbon-Design“ beschreiben zunächst nur das Aussehen. Ein sichtbares Gewebemuster oder eine entsprechende Folie beweist nicht, dass ein Bauteil aus echtem CFK besteht.
Wie ist Carbon aufgebaut?
Ein CFK-Bauteil besteht aus mehreren funktionalen Bestandteilen. Carbonfasern übernehmen einen großen Teil der Zug- und Steifigkeitsaufgaben. Die Kunststoffmatrix hält die Fasern in ihrer Position, überträgt Kräfte zwischen ihnen und schützt sie vor äußeren Einflüssen. Mehrere Faserlagen bilden zusammen ein Laminat. Aus diesem Laminat entsteht durch seine Form, Wandstärke, Verbindungen und Verstärkungen das fertige Bauteil.
Die Fasern liegen je nach Konstruktion in unterschiedlichen Richtungen. Das ist technisch bedeutsam, weil Carbon seine Eigenschaften entlang der Faserrichtung besonders stark ausprägt. Quer dazu kann sich das Verhalten deutlich unterscheiden. Ein Bauteil wird deshalb so aufgebaut, dass die Faserlagen zu den erwarteten Belastungen passen.
Eigenschaften wie Gewicht, Steifigkeit und Festigkeit hängen bei einem fertigen Carbonprodukt unter anderem von folgenden Faktoren ab:
- Orientierung und Anordnung der Fasern
- Anzahl und Stärke der Laminatlagen
- Art und Qualität der Kunststoffmatrix
- Faseranteil und Fertigungsqualität
- Geometrie und Wandstärke des Bauteils
- Verbindungen, Einsätze und lokale Verstärkungen
- Richtung, Höhe und Häufigkeit der Belastung
Der Werkstoffname allein beschreibt daher noch nicht, wie sich ein konkretes Produkt im Einsatz verhält.
Welche Eigenschaften hat CFK?
Carbonfasern können eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei vergleichsweise geringer Dichte bieten. Das macht CFK für Konstruktionen interessant, bei denen Gewicht und gezielte Kraftübertragung eine Rolle spielen. Durch die Ausrichtung der Faserlagen lassen sich Bauteile außerdem an bestimmte Belastungsrichtungen anpassen.
Steifigkeit und Festigkeit sind verschiedene Eigenschaften. Ein steifes Bauteil verformt sich unter einer bestimmten Last weniger. Ein festes Bauteil hält eine bestimmte Belastung aus, bevor es versagt. Hinzu kommen Merkmale wie Zähigkeit, Schlagfestigkeit, Ermüdungsverhalten und Dauerhaftigkeit. Eine Auslegung, die in einer Eigenschaft gut ist, muss deshalb nicht bei allen anderen Eigenschaften gleich gut abschneiden.
Die Kunststoffmatrix kann das Verhalten des Verbunds ebenfalls beeinflussen. Sie ist beispielsweise für die Kraftübertragung zwischen den Fasern und für die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Umgebungsbedingungen relevant. Bei Hitze, UV-Strahlung, Feuchtigkeit oder chemischen Einflüssen lässt sich deshalb keine pauschale Aussage für jedes Carbonbauteil treffen. Harzsystem, Beschichtung, Klebstoffe und weitere Bauteile können eine Rolle spielen.
Warum wird Carbon für Bauteile verwendet?
CFK ermöglicht Konstruktionsformen, bei denen Material gezielt dort eingesetzt wird, wo Kräfte aufgenommen oder weitergeleitet werden müssen. Die Faserrichtung kann an den vorgesehenen Lastpfad angepasst werden. Das unterscheidet den Verbundwerkstoff von vielen isotropen Materialien, deren Eigenschaften in verschiedene Richtungen ähnlicher sind.
In der Praxis findet sich Carbon unter anderem bei:
- Fahrradrahmen, Gabeln, Lenkern und Sattelstützen
- Felgen und anderen Fahrzeugkomponenten
- Karosserie- und Innenraumteilen
- Stativbeinen und Gehäusen
- Angelruten, Paddelschäften und Sportgeräten
- Bauteilen in Luft- und Raumfahrtanwendungen
Welche Vorteile tatsächlich entstehen, hängt von der Konstruktion ab. Ein Carbonrahmen, eine Carbonfelge und ein Carbonpaddelschaft sind keine gleichartigen Produkte. Sie können unterschiedliche Faseraufbauten, Belastungen, Verbindungstechniken und Sicherheitsanforderungen besitzen.
Ist Carbon automatisch leicht, stark oder besser?
Nein. Carbon bietet konstruktive Möglichkeiten, garantiert aber keine bestimmte Produkteigenschaft. Ein Carbonbauteil kann leichter, steifer oder belastbarer als eine Vergleichskonstruktion sein. Das lässt sich erst anhand der konkreten Auslegung, Abmessungen und Fertigungsqualität beurteilen.
Auch ein höherer Carbonanteil oder eine größere Zahl an Faserlagen bedeutet nicht automatisch eine bessere Lösung. Zusätzliches Material kann das Gewicht erhöhen, ohne jede relevante Eigenschaft im gleichen Maß zu verbessern. Entscheidend ist die Abstimmung von Material, Laminat, Form und Einsatzbereich.
Was passiert bei Beschädigungen?
Bei einem Carbonbauteil können Kratzer lediglich die Oberfläche, den Klarlack oder die Lackschicht betreffen. Möglich sind jedoch auch Schäden am Laminat, etwa Faserbrüche, Quetschungen oder Delaminationen. Von außen lässt sich die strukturelle Bedeutung einer Beschädigung nicht in jedem Fall sicher beurteilen.
Das gilt besonders für sicherheitsrelevante Bauteile wie Lenker, Vorbauten, Gabeln, Rahmen, Sattelstützen und Laufräder. Nach einem stärkeren Aufprall oder bei unklaren Rissen sollte das betroffene Teil nicht einfach weiterverwendet werden. Eine fachkundige Prüfung oder der Austausch ist dann die sichere Vorgehensweise. Das Auftragen von Harz oder Klebstoff stellt die ursprüngliche Belastbarkeit nicht automatisch wieder her.
Carbon im Alltag richtig einordnen
Wer von einem „Carbonteil“ spricht, meint meist ein Bauteil aus CFK, nicht reinen Kohlenstoff. Der Nutzen entsteht aus dem Verbund von Carbonfasern, Kunststoffmatrix und konstruktiver Auslegung. Für die Beurteilung eines Produkts zählt deshalb, welches Teil tatsächlich aus CFK besteht und wie es aufgebaut ist. Eine Carbonfelge ist beispielsweise etwas anderes als ein Laufrad mit Carbonapplikationen an einer ansonsten anders aufgebauten Felge.
Carbon ist damit kein einheitlicher Werkstoff mit einer einzigen, für alle Produkte gültigen Eigenschaft. Es handelt sich meist um einen technisch vielseitig einsetzbaren Faserverbund, dessen Verhalten von Material, Aufbau und Konstruktion bestimmt wird.
