CFK steht für kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff. Gemeint ist ein Verbundwerkstoff aus sehr dünnen Kohlenstofffasern und einer Kunststoffmatrix. Im Alltag wird dafür meist die Kurzbezeichnung Carbon verwendet. Die Fasern übernehmen vor allem die Kraftübertragung, während die Matrix sie umgibt, in ihrer Lage hält und die äußere Form des Bauteils bildet.
Wie ist CFK aufgebaut?
CFK besteht aus mehreren miteinander verbundenen Bestandteilen. Erst ihr Zusammenspiel ergibt den fertigen Werkstoff:
- Kohlenstofffasern: Sie sind sehr dünn und besitzen eine hohe Steifigkeit in ihrer Längsrichtung.
- Kunststoffmatrix: Meist handelt es sich um ein Harz, häufig auf Epoxidbasis. Je nach Anwendung können auch andere duroplastische oder thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden.
- Laminat: Mehrere Faserlagen werden in bestimmten Richtungen übereinandergelegt und mit der Matrix verbunden.
- Bauteil: Aus dem Laminat entsteht durch die konkrete Geometrie, Wandstärke, Verbindungstechnik und Fertigungsqualität das fertige Produkt.
Eine einzelne Carbonfaser ist deshalb noch kein vollständiges Carbonbauteil. Auch das sichtbare Gewebe auf der Oberfläche beschreibt nur einen Teil der Konstruktion. Für die Eigenschaften eines Bauteils sind unter anderem die Faserrichtung, die Anzahl der Lagen, das Harzsystem, lokale Verstärkungen, Einlagen, Übergänge und die Form des Bauteils maßgeblich.
Warum werden Kohlenstofffasern verwendet?
Kohlenstofffasern können bei geringem Materialgewicht eine hohe Steifigkeit ermöglichen. Ihre Wirkung hängt allerdings stark davon ab, in welche Richtung die Fasern verlaufen. Entlang der Faser sind sie besonders leistungsfähig. Quer dazu und zwischen den einzelnen Lagen gelten andere Eigenschaften.
Durch die gezielte Anordnung der Faserlagen lässt sich ein CFK-Bauteil auf bestimmte Belastungsrichtungen auslegen. Das unterscheidet den Werkstoff von vielen isotropen Materialien, deren Eigenschaften in den verschiedenen Richtungen ähnlicher ausfallen. Bei einem Carbonbauteil können Konstrukteure Material dort konzentrieren, wo Kräfte eingeleitet werden, und an weniger belasteten Stellen anders dimensionieren.
Aus der Materialbezeichnung allein lassen sich jedoch keine sicheren Aussagen über das fertige Produkt ableiten. Carbon bedeutet nicht automatisch, dass ein Bauteil leichter, stärker, steifer, langlebiger oder sicherer ist. Diese Eigenschaften hängen von der gesamten Konstruktion und der Fertigungsqualität ab.
Wie wird CFK hergestellt?
Für die Herstellung werden Kohlenstofffasern zunächst zu Rovings, Gelegen oder Geweben verarbeitet. Diese Halbzeuge kommen mit einem Harz oder einer anderen Kunststoffmatrix zusammen. Die Faserlagen werden nach einem vorgesehenen Lagenaufbau ausgerichtet und anschließend unter geeigneten Bedingungen konsolidiert beziehungsweise ausgehärtet.
Je nach Bauteil kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Dazu zählen beispielsweise die Verarbeitung vorimprägnierter Faserlagen, das Einbringen von Harz in trockene Faserstrukturen oder Verfahren mit thermoplastischen Matrixwerkstoffen. Welche Methode geeignet ist, hängt von Geometrie, Stückzahl, Bauteilgröße, geforderten Eigenschaften und der jeweiligen Konstruktion ab.
Die Oberfläche kann anschließend lackiert, mit Klarlack versehen oder aus gestalterischen Gründen so ausgeführt werden, dass die Faserstruktur sichtbar bleibt. Eine sichtbare Karbonstruktur beweist deshalb weder eine bestimmte Faserqualität noch einen bestimmten inneren Lagenaufbau.
Welche Eigenschaften hat CFK?
CFK kann mehrere technisch interessante Eigenschaften verbinden. Sie gelten jedoch immer für eine konkrete Materialauslegung oder ein konkretes Bauteil, nicht pauschal für jedes Produkt mit Carbonanteil.
| Eigenschaft | Wovon sie abhängt | Praktische Bedeutung |
|---|---|---|
| Geringes Gewicht | Faseranteil, Matrix, Geometrie und Konstruktion | Ein geringes Bauteilgewicht kann möglich sein, ist aber keine automatische Folge der Bezeichnung CFK. |
| Steifigkeit | Faserrichtung, Lagenaufbau, Querschnitt und Verbindungspunkte | Ein Bauteil kann gezielt in bestimmten Richtungen steif ausgelegt werden. |
| Festigkeit | Faserqualität, Laminat, Lastpfad, Fertigung und lokale Verstärkungen | Die Belastbarkeit muss für das konkrete Bauteil bewertet werden. |
| Schwingungs- und Dämpfungsverhalten | Faser-Matrix-System, Aufbau, Geometrie und Lagerung | Das Verhalten lässt sich nicht allein aus dem Wort Carbon ableiten. |
| Korrosionsverhalten | Matrix, Oberflächen, Metalleinlagen und angrenzende Bauteile | Die Carbonfasern selbst rosten nicht. Andere Bestandteile können jedoch korrodieren. |
Steifigkeit und Festigkeit beschreiben unterschiedliche Dinge. Ein steifes Bauteil verformt sich unter einer bestimmten Last weniger. Das bedeutet nicht automatisch, dass es höhere Belastungen ohne Schaden aushält. Auch Zähigkeit, Schlagfestigkeit, Ermüdungsverhalten und Dauerhaltbarkeit müssen getrennt betrachtet werden.
Wo wird CFK eingesetzt?
CFK kommt überall dort zum Einsatz, wo eine gezielte Kombination aus Gewicht, Steifigkeit und Formbarkeit gefragt ist. Beispiele sind:
- Fahrradrahmen, Laufradfelgen, Lenker und Sattelstützen
- Fahrzeug- und Motorsportbauteile
- Teile von Luft- und Raumfahrzeugen
- Sportgeräte wie Schäfte, Schläger, Paddel oder Angelruten
- Stative, Gehäuse und technische Tragstrukturen
- Industriebauteile mit gerichteten Belastungen
Die Funktion des Carbons unterscheidet sich je nach Produkt. Bei einem Carbon-Lenker ist der Lenkerkörper das relevante CFK-Bauteil. Bei einem Carbon-Laufrad ist meist die Felge gemeint, während Nabe, Speichen und weitere Komponenten aus anderen Materialien bestehen können. Die Eigenschaften eines Fahrradrahmens lassen sich deshalb nicht ohne Weiteres auf ein Stativ oder eine Angelrute übertragen.
Was ist der Unterschied zwischen Carbon, Kohlenstoff und CFK?
Kohlenstoff ist ein chemisches Element. Kohlenstofffasern bestehen aus kohlenstoffreichen Filamenten. CFK bezeichnet den daraus zusammen mit einer Kunststoffmatrix hergestellten Verbundwerkstoff. Im Handel wird für CFK meist der Begriff Carbon verwendet.
Graphit ist eine andere Erscheinungsform von Kohlenstoff und nicht automatisch mit Carbonfaser oder CFK gleichzusetzen. Kohlenstoffstahl, auch Karbonstahl genannt, ist wiederum ein Stahlwerkstoff. Er hat mit kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff trotz des ähnlichen Namens eine andere Zusammensetzung und andere Materialeigenschaften.
Auch Begriffe wie Carbon-Look, Carbon-Optik oder Carbon-Design belegen kein echtes CFK. Sie können lediglich eine bedruckte, beschichtete oder strukturierte Oberfläche beschreiben.
Welche Grenzen hat CFK?
CFK ist kein universell überlegenes Material. Die Fertigung kann aufwendig sein, und die Eigenschaften sind stark richtungsabhängig. Schäden können beispielsweise als Riss, Delamination, Faserbruch, Quetschung oder beschädigte Kante auftreten. Eine oberflächliche Schramme betrifft möglicherweise nur Lack oder Klarlack. Aus dem äußeren Erscheinungsbild lässt sich der Zustand des inneren Laminats jedoch nicht immer sicher ableiten.
Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen wie Gabeln, Lenkern, Vorbauten, Rahmen, Laufrädern oder Sattelstützen sollte ein Bauteil nach einem erheblichen Aufprall oder bei unklaren Schäden fachkundig geprüft werden. Klebstoff, Harz oder ein aufgeklebtes Carbongewebe stellt die ursprüngliche Tragfähigkeit nicht automatisch wieder her.
Die treffendste Antwort auf die Frage „Was ist CFK?“ lautet daher: CFK ist ein faserverstärkter Kunststoffverbund, dessen Verhalten durch Kohlenstofffasern, Matrix, Lagenaufbau, Geometrie und Herstellung gemeinsam bestimmt wird. Carbon ist folglich kein einzelner homogener Werkstoff mit überall gleichen Eigenschaften, sondern eine vielseitig konstruierbare Werkstofffamilie.
