Referat über Carbon

[Froschloeffel]

Hallo

Ich halte demnächst ein Referat über Carbon.

Zuerst über den Aufbau von Carbon, dann über Carbon allgemein und dann über Carbonrahmen.
Habt ihr vieleicht ein paar gute Tipps für mich?
Vor-und Nachteile von Carbonrahmen?
Oder über den Aufbau?

Gruß Domi

[georg]

Zuerst muß du einmal wissen was Carbon ist. Die Stichworte die du jetzt findest, nach denen solltest du suchen.

Carbon ist nicht die Faser, unter Carbon versteht man Bauteile die aus einer Kunststoffmatrix besteht, die mit Kohlefasern verstärkt werden.

Dann könntest du über Faserverstärkte Bauteile allgemein reden, von Holz über Stahlbeton bis zu Kunst- oder Naturfaserverstärkten Kunststoffen.

Bei den Kunstfaserverstärkten Kunststoffen ist vor allem die Glasfaser mengenmäßig am wichtigsten. Anwendungsgebiete alle möglichen Kunststoffteile die etwas mehr aushalten sollen, im Autobereich zB. Innenverkleidungen, Instrumententafel, Gepäckträger bei Bussen und Flugzeugen (Innenbereich), LKW Dächer, Frontends und Kotflügel von Autos, Badewannen, Schwimmbecken, ...

Allgemein tritt nur ein Versätrkungseffekt auf wenn der E-Modul der Faser über dem der Matrix liegt. Also Stahl ist steifer als Beton, Glas ist steifer als PP, Kohlefaser ist steifer als Epoxydharz.

Carbon: Wie oben schon erwähnt, versteht man darunter Kohlefasern in einer Kunststoffmatrix. Meist ist die Kunststoffmatrix ein Harz, also ein Duromer, selten auch ein Thermoplast zB. PP. Bei kohlefaserverstärkten CFK Bauteilen versteht man meist Kohlefasern in einer Epoxydharzmatrix.

Die Kennwerte der Kohlefasern sind ein Traum. Leider muß man das relativieren. 1. gelten diese Werte nur in Faserrichtung, eine Schnur kannst du eben nur auf Zug belasten. 2. Hat man nicht 100% Fasern sondern ein Fasern-/Harzverhältnis. Bei sehr guten Bauteilen liegt das bei rund 60% Fasern und 40% Matrix.

Aus Grund 1. muß man die auftretenden Kräfte im Bauteil gut kennen. Denn wenn auch nur eine kleine Kraft nicht von Fasern aufgenommen wird, wird der Bauteil zerstört. Beispiel: Du willst ein Sattelstützenrohr haben, denkst dir, alles klar, hab nur Biegung und machst alle Fasern der Länge nach. Zuerst wird das Rohr in der Klemmung zerstört werden (egal wie dick) und wenn du da nachbesserst wird oben wo zB eine Sattelklemmung eingeklebt ist, das Rohr gespalten. Da man zB. bei Fahrradrahmen nicht alle auftretenden Kräfte kennen und richtig abschätzen kann werden einige Faserlagen multiaxial gelegt.

Fasern gibt es in verschiedenen Verarbeitungsformen:

Rovings: Hier werden einzelne Fasern (Filaments) zu Faserbündeln zusammengefaßt.
Gewebe werden aus Rovings gewebt. Diese werden in verschiedenen Webarten die aus der Textiltechnik stammen hergestellt. zB: Leinenbindung, Köperbindung, ua.
Gelege sind nebeneinander (unidirektional) und auch übereinander (bi- oder multiaxial zB. 0/90°) gelegte Rovings. Im Gegensatz zu Geweben nicht selbsthaltend, haben keine Faserrichtungswechsel, sind daher hochfest und hochkompakt, benötigen aber Verbindungsfasern, meist aus Glas. Mit denen wird das Gelege vernäht.

Die Verarbeitung von CFK Bauteilen ist sehr teuer. Da man eine nicht feste Masse hat, muß eine Form hergestellt werden. Dabei muß beachtet werden, daß 1. keine Luft eingeschlossen wird, da jede Luftblase eine Sollbruchstelle darstellt und 2. Fasern und Harz stark verpreßt werden um die Haftung zu erhöhen und den harzgehalt zu minimieren.

Daher werden (sollten) CFK Bauteile in Autoklaven (Duromere) oder Pressen (Thermoplaste) unter Vakuum und Druck hergestellt werden. Übliche Drücke sind ca. 5 bar. Wenn man das durchrechnet, 5 bar sind 50N/cm² also 5kg pro cm² dann erkennt man recht schnell, daß für größere Bauteile ziemliche Kräfte erforderlich sind. Beispiel: Eine Fläche von 1m³= 10.000 cm² erfordert daher eine Kraft von 50 Tonnen.

CFK Bauteile besitzen zwar eine hohe Festigkeit und gelten als dauerfest, die zerstörungsfreie Prüfung ist aber sehr schwer bis unmöglich, und die Elastizität und Stoßfestigkeit der Bauteile ist gering. Beispiel: Wenn in der Flugzeugrepaeratur ein Werkzeug auf ein CFK-Teil fällt, muß dieses ausgetauscht werden, egal ob Schäden sichtbar sind oder nicht. Hintergrund: Im Material können Faserbrüche und Delaminationen auftreten die das Bauteil stark schwächen aber derzeit mit Prüfmethoden wie Ultraschall oder Röntgen nicht sichtbar gemacht werden können. Andererseits sind viele CFK Bauteile aufgrund der hohen Festigkeit derart überdimensioniert, daß es zB mal einen Fall in der F1 gegeben hat, daß in einem Fahrwerksträger mal eine Ausnehmung vergessen wurde.. die wurde einfach mit der Stichsäge großzügig nachgeholt, und das Teil hat gehalten.

Also Vorteile von CFK:
sehr hohes Steifigkeits/Geichtsverhältnis
sehr hohes Festigkeit/Gewichtsverhältnis
Optik
weitgehend Korrossionsfrei (wenn Oberfläche geschlossen ist)

Nachteile:
teures Rohmaterial
teure Verarbeitung
geringe Elastizität
schwer reparierbar
nicht recyclierbar

Neutral:
Werte nur in Faserrichtung. Kann negativ sein (viele Faserrichtungen notwendig, Bauteil wird schwer) oder gut (Kräfte eindeutig in wenigen Richtungen bekannt, Bauteil kann optimiert werden)

So in etwa aus dem Stegreif..

edit: Allgemein zu Referat: 1. Dauer richtig einteilen 2. Frei reden. Wenn du mehr als 5x in 20min einen Zettel benötigst, bist du nicht vorbereitet. 3. Sachen denen du dir nicht sicher bist nicht ansprechen. Beispiel: Wenn du nicht weißt was ein Duromer oder Thermoplast ist, dann sag nix drüber. Wenn dann nix mehr überbleibt von deinem Referat, mach dich schlau oder such dir was anderes.

Ohne Anspruch auf Richtigkeit und/oder Vollständigkeit.

edit 2: Ein paar Fehler rausgeworfen.

[Froschloeffel]

Oha danke für die sehr ausführliche antwort.