Leki: Leichtbau mit der Carbonfaser
Die Zukunft ist Schwarz
Künftige Produkte müssen leichter und fester sein, damit insbesondere ehrgeizige Energiesparziele erreicht werden können. CFK wird daher immer öfters verarbeitet. Doch besitzt die Faser dank ihrer Eigenschaften das Potenzial, nicht nur im Flugzeug- oder Automobilbau zu punkten, sondern auch andere Märkte zu erobern. Zu nennen wäre beispielsweise der Sport.
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Momentan vollzieht sich im Werkstoffbereich ein Wandel, der dereinst wohl mit dem Übergang von der Bronzezeit in die Eisenzeit verglichen wird. Nachdem lange Zeit Metalle, wie Stahl, Aluminium oder Kupfer in Produkten aller Art vorherrschten, schickt sich die Carbonfaser dank ihrer Eigenschaften an, dies zu ändern.
Die Kohlenstofffaser ist kein Produkt aus Erdöl, sondern wird aus organischem Material hergestellt. Bereits Thomas Alva Edison nutzte die Kohlenstofffaser für seine elektrischen Glühfäden. Durch Erhitzen des Kohlenstoffs bei etwa 1300 bis 1500 Grad Celsius verdampfen ein großer Teil der unerwünschten Beimengungen und der Hauptbestandteil ›Kohlenstoff‹ in der Faser steigt auf 96 bis 98 Prozent. Dieser Vorgang wird Carbonisieren genannt, weshalb die so entstandene Faser als Carbonfaser bezeichnet wird.
Da die Herstellung der Carbonfaser sehr energieintensiv ist, wirkt sich dies natürlich auf den Kaufpreis aus, der jedoch in bestimmten Sparten keine kaufentscheidende Komponente ist, wenn das daraus gefertigte Produkt mit Eigenschaften glänzt, die einen höheren Preis rechtfertigen.
Insbesondere in Hightech-Märkten, wie etwa der Flugzeug- und Raumfahrttechnik hat sich der Werkstoff ›Carbon‹ dank seiner Eigenschaften immer mehr Einsatzbereiche erobert und ist dabei bis dato vorherrschende Materialien, wie etwa Aluminium, immer mehr zu verdrängen. Durch die Energiewende versuchen neuerdings immer mehr Autoproduzenten den Stoff der Zukunft für ihre Produkte zu nutzen, da mit ihm signifikante Gewichtseinsparungen möglich sind.
Leicht, leichter, Carbon
Mit einer Dichte von 1,8 Kg/dm3 ist Carbon deutlich leichter, als Aluminium, das es auf 2,7 Kg/dm3 bringt. Weit abgeschlagen folgt Stahl, das mit 7,85 Kg/dm3 ein Gewicht besitz, welches in naher Zukunft im Automobilbau wohl nur noch an ausgewählten Teilen akzeptiert wird.
Carbon hat sich jedoch noch auf einem ganz anderen Sektor einen guten Ruf erarbeitet: beim Sport. Hauptsächlich Hochleistungssportgeräte für Spitzensportler bestehen aus diesem Material. Hier kommt es auf jedes Gramm Gewicht und beste Eigenschaften an. Schließlich will etwa ein Biathlet so wenig Gewicht wie möglich mitschleppen, weshalb der Gewehrschaft des Kleinkalibergewehrs nicht selten aus Carbon besteht. Doch das ist nicht das einzige Gerät, das einem Spitzen-Biathleten siegen hilft, auch dessen Skistöcke bestehen aus Carbon.
Das geringere Gewicht gegenüber Skistöcken aus Aluminium ist nicht der einzige Vorteil, die die Wunderfaser den Sportprodukten verleiht. Den entscheidenden Vorsprung zum Sieg verschafft nicht zuletzt die extreme Steifigkeit des schwarzen Gewinner-Materials. Der Grund ist einsichtig: jede unnötige Durchbiegung des Stockes kostet Kraft, die der Biathlet bei jedem Abstoßen aufzuwenden hat. Wenn man sich vor Augen hält, dass Spitzensportler teilweise nur im Abstand von wenigen Zehntelsekunden durch das Ziel eilen, wird klar, dass der satte Aufpreis von Carbon-Produkten gerne gezahlt wird, wenn dadurch die Chancen auf einen Sieger-Platz steigen.
Mittlerweile hat sich Carbon auch in vielen anderen Sportprodukten einen guten Marktanteil erarbeitet. Das Unternehmen LEKI kann in Sachen Carbon ganz gewaltig mitreden. Die Schwaben haben schon früh auf diesen Stoff gesetzt und sich mittlerweile als Weltmarktführer in Sachen Ski- und Wanderstöcke positioniert. Doch werden auch preiswertere Varianten der verschiedenen Produkte angeboten. Dies hat seinen Grund, denn reines Carbon ist nicht für jedermann geeignet, da die Faser gepflegt werden will. Jede Unachtsamkeit kann den schützenden Lack durchdringen und die Faser, ähnlich der Faser eines Muskels, durchtrennen oder beschädigen. Für Anfänger oder für Kinder empfiehlt sich daher ein reiner Alu- Stock oder ein Stock aus einem Compound-Material, das zwar nicht ganz so leicht, doch auch nicht so empfindlich gegenüber Einritzungen ist.
Die Verarbeitung der Carbonfaser ist ähnlich wie die Verarbeitung der Glasfaser. In der Regel werden die einzelnen Fasern zu Matten verwoben, die dann zugeschnitten und zur Stabilisierung sowie zum Schutz mit Harz überzogen werden. Da die einzelnen Fasern mit einem Durchmesser von etwa 0,005 Millimeter extrem dünn sind, werden mehrere Matten-Lagen nötig, um eine ausreichend dicke Wandung zu bilden. Wo es möglich ist, wird mit sogenanntem Prepreg-Material gearbeitet. Dies sind einzeln abziehbare Matten, die bereits mit Harz gefüllt sind und direkt verarbeitet werden können. Dieses Material muss allerdings tiefgekühlt gelagert werden, um seine Eigenschaften nicht zu verlieren.
Im Fall eines Wanderstocks werden im Prepreg-Laminierverfahren mehrere harzgefüllte Carbon-Lagenn um einen Stahlkern gewickelt, mit Schrumpfband umwickelt und in einem Ofen bei etwa 150 Grad Celsius getempert. Beim Tempern härtet das Harz aus und gibt dem Verbund Harz-Faser seine Gebrauchseigenschaft. Das Umwickeln der laminierten Fasern mit einem Schrumpfband ist ein wirkungsvoller Kniff, um die Carbon-Fasern fest an den Stahlkern zu pressen, da sich das Schrumpfband bei steigender Temperatur zusammenzieht, was Lufteinschlüsse herauspresst und die Faser- / Harzstruktur während des Aushärtens stabilisiert.
Nach dem Tempern wird der Stahlkern herausgezogen und der Stab weiteren Bearbeitungsschritten, wie etwa dem Schleifen und Lackieren, zugeführt. Übrigens sollte so wenig Harz wie möglich verwendet werden, da zum einen nur die Carbonfasern die Kräfte aufnehmen können und zu viel Harz darüber hinaus das Gewicht des Stocks unnötig erhöht. Die Automation der CFK-Verarbeitung steckt noch in den Kinderschuhen, weshalb Handarbeit momentan die vorherrschende Art ist, Carbon zu verarbeiten.
Neben dem hohen Energiebedarf bei der Faserherstellung ist dies ein zweiter Grund für den hohen Preis diesbezüglicher Bauteile.Die Carbon-Technik erst in jüngerer Zeit so richtig in Fahrt gekommen. Weshalb noch viel Forschungsbedarf in allen Richtungen besteht. Nicht zuletzt das im Aufbau befindliche Augsburger Kompetenzzentrum für Verbundtechnik forscht intensiv an Lösungen bezüglich Gewinnung, Verarbeitung und Entsorgung der Carbonfaser.
Angedacht ist eine Weiterverwendung etwa als Dämm- oder als Baumaterial, wenn ein Wanderstock nach Jahrzenten der Nutzung einem anderen Modell weichen muss. Sportfreunde wissen solche Sachen jedoch ganz anders zu nutzen, schließlich gibt es für diese nichts Schöneres, als die Gewinnerstöcke eines Olympiasiegers an der eigenen Wohnzimmerwand zu wissen.
Mehr Informationen zur LEKI Lenhart GmbH:
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LEKI Lenhart GmbH |
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Karl-Arnold-Straße 30 |
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73230 Kirchheim unter Teck |
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Tel.: +49 (0) 7021 – 94 00 - 0 |
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Fax: +49 (0) 7021 – 94 00 - 96 |
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E-Mail: Service@leki.de |
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www.leki.de |
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