In hochbelasteten Strukturen der Luft- und Raumfahrt, des Rennsports und des Präzisionsmaschinenbaus haben sich Rohre aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) als unverzichtbare Konstruktionselemente etabliert. Ihre exzellente spezifische Steifigkeit und Festigkeit, kombiniert mit einem extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, machen sie zur ersten Wahl, wenn sowohl eine extreme Leichtbaustruktur als auch eine hohe Dimensionsstabilität gefordert ist. Bei WHABEST Composite Solutions beherrschen wir den gesamten Herstellungsprozess – vom vorimprägnierten Faserhalbzeug bis zum fertig bearbeiteten Funktionsbauteil. In diesem Fachbeitrag erläutern wir Ihnen detailliert die Schritte unserer Fertigung und die entscheidenden Stellschrauben für ein Hochleistungs-Kohlenstofffaserrohr.
Wie unsere Kohlenstofffaserrohre hergestellt werden
Der Weg zum fertigen Rohr ist ein hochpräziser, mehrstufiger Prozess, der ein tiefgreifendes Verständnis der Materialwissenschaft und der Fertigungstechnik erfordert. Jeder einzelne Schritt wird bei WHABEST durch strenge Qualitätsrichtlinien überwacht und dokumentiert.
Ehrlich gesagt: 1. Werkstofflogistik und Vorbereitung: Die Fertigung beginnt mit der Bereitstellung der hochwertigen Vorprodukte. Die vorimprägnierten Faserhalbzeuge werden bei -18 °C gelagert, um die Aushärtereaktion zu stoppen und eine gleichbleibende Qualität über die gesamte Nutzungsdauer zu gewährleisten. Vor der Verarbeitung muss das Material definiert auftauen, um Kondensat im Laminat zu vermeiden. Je nach späterer Lastanforderung kommen unidirektionale Gelege oder Köpergewebe aus hochfesten (HF) oder hochmoduligen Fasern (HM) zum Einsatz.
2. Zuschnitt der Laminate: Der Zuschnitt erfolgt computergestützt auf hochdynamischen Schneidetischen. Die Schnittkontur und vor allem die Faserorientierung jeder einzelnen Lage werden exakt nach dem vom Berechnungsingenieur festgelegten Lagenaufbau definiert. Moderne Verschachtelungsalgorithmen minimieren den Verschnitt und optimieren die Ausnutzung des teuren Halbzeugmaterials. Jede zugeschnittene Lage wird mit einem eindeutigen Identifikationsmerkmal versehen, das die Rückverfolgbarkeit über den gesamten Fertigungsprozess sicherstellt.
3. Der Lagenaufbau – Drapieren und Wickeln: Der präzise Aufbau der Schichten ist das Herzstück der Fertigung. Bei WHABEST setzen wir je nach Rohrgeometrie und Stückzahl auf folgende Verfahren: Das Rollenwickelverfahren, unsere Kernkompetenz für zylindrische und konische Profile. Die zugeschnittenen Lagen werden auf einen hochglanzpolierten Stahldorn aufgewickelt. Dieser Dorn definiert exakt die Innenkontur des späteren Rohres und garantiert hervorragende Rundlauftoleranzen. Das Faserwickelverfahren kommt bei großen Stückzahlen oder komplexen, rotationssymmetrischen Geometrien zum Einsatz. Hier werden kontinuierliche Faserstränge unter definierter Spannung auf einen rotierenden Kern abgelegt. Das Strangziehverfahren schließlich ist für endlose Profile mit konstantem Querschnitt das Mittel der Wahl.
4. Konsolidierung und Aushärtung: Der bewickelte Dorn wird für die Aushärtung im Autoklaven vorbereitet. Hierzu wird ein Vakuumaufbau erstellt: Auf das Laminat kommen ein Trenngewebe, ein Abreißgewebe zur späteren Oberflächenvorbereitung, eine gelochte Trennfolie sowie ein atmungsaktives Tuch. Das gesamte Paket wird mit einer Spezialfolie und einem Siegelband luftdicht verschlossen. Im Autoklaven werden die Bauteile unter einem äußeren Druck von 6 bis 10 bar und einer exakt geregelten Temperatur von 120 °C bis 180 °C ausgehärtet. Der äußere Druck verdichtet das Laminat auf ein Minimum an Poren und sorgt für einen optimalen Faservolumenanteil.
5. Entformung und spanende Bearbeitung: Nach dem Abkühlen unter Druck wird das Rohr vom Dorn abgezogen. Die hochpräzisen Dorne werden gereinigt, vermessen und dem Kreislauf wieder zugeführt. Der Kohlenstofffaser-Rohling wird nun auf computergesteuerten Bearbeitungszentren endbearbeitet. Hierbei werden die Rohre auf das geforderte Endmaß zugeschnitten, Fügeflächen planparallel bearbeitet, Toleranzen im Hundertstelmillimeterbereich eingestellt und gegebenenfalls radiale Bohrungen oder Nuten eingebracht.
6. Qualitätssicherung und Freigabe: Jedes Bauteil durchläuft nach der Endbearbeitung eine 100-Prozent-Sichtprüfung und eine Maßprüfung. Darüber hinaus führen wir zerstörungsfreie Prüfungen mittels Ultraschall und computertomografischen Analysen durch, um die innere Laminatqualität bis ins Detail zu beurteilen. Erst nach dieser umfassenden Prüfung wird das Bauteil freigegeben und versandfertig gemacht.
Wichtige Faktoren bei der Auswahl von Kohlenstofffaserrohren
Die Auswahl des richtigen Rohres für eine spezifische Anwendung ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die eine enge Zusammenarbeit zwischen Konstrukteur und Fertigungsingenieur erfordert. Die folgenden Faktoren sind hierbei von zentraler Bedeutung:
Mechanische Eigenschaften: Der Zug-Elastizitätsmodul einer Kohlenstofffaser bestimmt maßgeblich die Steifigkeit des Bauteils. Standardfasern erreichen etwa 230 GPa, während Hochmodulfasern Werte von über 400 GPa erzielen. Parallel dazu muss die Zugfestigkeit betrachtet werden. Ein optimierter Lagenaufbau, der die Faserorientierung in 0°, ±45° und 90° exakt an die Hauptlastpfade anpasst, maximiert die Effizienz des orthotropen Werkstoffs.
Toleranzen und Oberflächengüte: Reine Wickelrohre weisen oft fertigungsbedingte Maßtoleranzen auf. Für hochpräzise Fügeaufgaben ist eine spanende Nachbearbeitung der Funktionsflächen unerlässlich. Bei WHABEST erreichen wir durch unsere Fertigungstiefe und moderne Antasttechnik engste Toleranzen. Das Faserbild und die Oberflächenqualität sind zudem entscheidend für das ästhetische Erscheinungsbild oder für nachfolgende Beschichtungsprozesse.
Thermische und elektrische Eigenschaften: Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kohlenstofffaserrohren kann in Faserrichtung nahe Null oder sogar negativ sein. Dies ist ein entscheidender Vorteil für Anwendungen, die Dimensionsstabilität über einen weiten Temperaturbereich fordern. Kohlenstofffasern leiten Strom, weshalb bei der Konstruktion von Gehäusen oder im Kontakt mit metallischen Fügepartnern spezielle Vorkehrungen (Glasfasersperrschicht) getroffen werden müssen, um Kontaktkorrosion zu verhindern.
Gewicht und Knicksteifigkeit: Mit einer Dichte von etwa 1,5 g/cm³ bieten Kohlenstofffaserrohre ein enormes Leichtbaupotenzial. Eine gewichtsoptimierte Auslegung unter Berücksichtigung des Euler’schen Knickens und des Beulverhaltens dünnwandiger Profile ist eine Kernkompetenz unserer Entwicklungsabteilung.
Warum die Materialauswahl entscheidend ist
Die Auswahl des richtigen Harz-Faser-Systems ist der Grundstein für den Erfolg einer jeden CFK-Konstruktion. Bei WHABEST legen wir größten Wert auf die Verwendung geprüfter und zertifizierter Werkstoffe.
Das Harzsystem: Es ist das Rückgrat des Laminats. Es schützt die Fasern, überträgt die Schubkräfte und bestimmt die Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Standard-Epoxidharze erreichen Glasübergangstemperaturen von 120 °C bis 200 °C. Für höhere thermische Anforderungen kommen Phenolharze oder BMI-Systeme (Bismaleinimid) zum Einsatz. Ein zähes Harzsystem verbessert die Schlagzähigkeit, während ein hochtemperaturbeständiges System oft eine niedrigere Bruchdehnung aufweist.
Die Verstärkungsfaser: Die Auswahl der Kohlenstofffaser ist die primäre Stellschraube für die mechanische Leistungsfähigkeit. HT-Fasern (hochfest) bieten eine hohe Festigkeit bei sehr gutem Modul, während IM-Fasern (intermediärer Modul) den Kompromiss zwischen Festigkeit und Steifigkeit perfektionieren. HM-Fasern (hochmodulig) maximieren die Steifigkeit, sind jedoch spröder und kostenintensiver in der Verarbeitung. Die Oberflächenbehandlung der Faser – die Schlichte – ist zudem essenziell für die Verbundqualität zwischen Faser und Matrix.
Qualität des vorimprägnierten Halbzeugs: Die Gleichmäßigkeit der Harzimprägnierung, die Klebrigkeit und die Lagerstabilität sind kritische Kenngrößen. Wir beziehen unsere Halbzeuge ausschließlich von etablierten und qualifizierten Herstellern. Jede eingehende Charge wird einer Wareneingangsprüfung unterzogen, um die konstant hohe Qualität unserer Produkte zu gewährleisten. Eine unzureichende Imprägnierung oder eine veränderte Reaktivität des Harzes kann zu Porosität und unzureichenden mechanischen Eigenschaften führen, die unsere strenge Qualitätskontrolle zuverlässig erkennt.
Die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Hersteller
Die erfolgreiche Entwicklung und Fertigung eines Kohlenstofffaserrohrs ist ein komplexer, interdisziplinärer Prozess. WHABEST Composite Solutions versteht sich nicht nur als Zulieferer, sondern als Entwicklungspartner unserer Kunden.
Entwicklungspartnerschaft von Anfang an: Idealerweise beginnen wir die Zusammenarbeit bereits in der Konzeptphase. Unsere Ingenieure unterstützen Sie bei der Auslegung des optimalen Lagenaufbaus, der Auswahl des geeigneten Materialsystems und der Definition fertigungsgerechter Toleranzen. Dies ist der Schlüssel zu einem effizienten, fehlerarmen und kostenoptimierten Produkt.
Simulation und Berechnung: Mithilfe der Finite-Elemente-Methode berechnen wir das Strukturverhalten Ihres Bauteils unter realen Lastbedingungen. Wir simulieren Steifigkeit, Festigkeit, Beulverhalten und Durchbiegung, um das Bauteil bereits virtuell zu optimieren und teure Versuchsreihen und Iterationsschleifen in der realen Fertigung zu vermeiden.
Prototypenfertigung und Prozessqualifikation: Bevor wir in die Serienfertigung überführen, wird die Machbarkeit anhand von Musterbauteilen nachgewiesen. An diesen Prüfkörpern validieren wir die simulierten Eigenschaften, optimieren die Aushärteparameter und stellen sicher, dass Ihre Spezifikationen nicht nur erreicht, sondern übertroffen werden. Die dokumentierten Ergebnisse bilden die Grundlage für die Serienfreigabe.
Vertrauen und Geheimhaltung: Wir wissen um den Wert Ihres geistigen Eigentums. Vertraulichkeit und Datensicherheit haben bei uns höchste Priorität. Wir arbeiten auf Basis strenger Geheimhaltungsvereinbarungen und garantieren ein Höchstmaß an Diskretion.
Fertigungsqualität und Zertifizierung
Qualität ist bei WHABEST kein Zufall. Sie ist das Ergebnis eines gelebten Qualitätsmanagementsystems, das prozessbegleitend wirkt und durch strenge Zertifizierungen untermauert wird.
Zertifizierte Prozesse: Unser Unternehmen ist nach DIN EN ISO 9001 zertifiziert. Für Kunden aus der Automobilindustrie erfüllen wir die Anforderungen der IATF 16949, und für die Luftfahrtbranche sind wir nach EN 9100 zertifiziert. Diese Normen fordern eine lückenlose Dokumentation und eine kontinuierliche Verbesserung aller Prozesse.
Rückverfolgbarkeit und Prozesskontrolle: Jeder Arbeitsschritt ist durch detaillierte Arbeits- und Prüfanweisungen standardisiert. Vom Wareneingang der Rohstoffe, über die Chargenverfolgung jedes einzelnen Faser- und Harzloses, bis hin zur Dokumentation der Aushärtezyklen – sämtliche Daten werden erfasst und archiviert. Dies gewährleistet die vollständige Rückverfolgbarkeit bis zurück zur Rohmaterialcharge.
Umfassende Prüfstrategie: Unser Qualitätssicherungslabor ist mit modernster Prüftechnik ausgestattet. Zu unseren Standardprüfungen gehören die zerstörungsfreie Prüfung mittels Ultraschall und Thermografie, die dynamische Differenzkalorimetrie zur Bestimmung des Aushärtegrads sowie die metallografische Mikroskopie. An Begleitproben führen wir zudem mechanische Prüfungen wie die Bestimmung der interlaminaren Scherfestigkeit (ILSS) durch. Diese rigorose Prüfstrategie gibt Ihnen die Sicherheit, dass jedes gelieferte Rohr die spezifizierten Eigenschaften erfüllt.
Weitere Fachbeiträge
Dieser Fachbeitrag ist Teil unserer Reihe zur Fertigungskompetenz bei WHABEST Composite Solutions. Entdecken Sie auch unsere weiteren Artikel:
» Die Bedeutung der Faserorientierung für das Strukturverhalten von CFK-Profilen
» Hybridlaminate: Synergien durch die Kombination von Kohlenstoff- und Glasfasern
» Von der Konstruktion zur Serie: Der Ingenieurprozess bei WHABEST Composite Solutions
» Oberflächenbehandlung von CFK: Techniken für Grundierung, Lackierung und Beschichtung
Haben Sie eine spezifische Anwendung für Kohlenstofffaserrohre? Unsere Fachingenieure beraten Sie gerne umfassend zu Ihrer individuellen Aufgabenstellung und finden die optimale Lösung für Ihr Projekt.