Auto-Leichtbau: Karbon - die schwarze Magie

Auto-Leichtbau
Karbon - die schwarze Magie

Neue Verfahren machen es möglich, Kohlefaser-Bauteile für Autos in Minuten zu fertigen. Damit können ultraleichte Fahrzeuge nun in Serie gebaut werden.
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Der Motor-Rennsport schätzt den Wunderstoff Karbon schon seit mehr als 30 Jahren. Er ist steifer als Stahl, jedoch rund fünfmal leichter und thermisch stabil. Hohe Steifigkeit und Festigkeit sorgen für Crashsicherheit, das geringe Gewicht für gute Beschleunigungswerte und einen niedrigen Spritverbrauch. Bis auf Motor, Getriebe und Radträger sind Formel-1-Autos deshalb heute ausschließlich aus Kohlefaser gefertigt. Diese sind nur fünf bis acht Mikrometer stark, somit noch feiner als Frauenhaar.

Üblicherweise werden 1.000 bis 20.000 Fasern, die aus Pech, Zellulose und Polyacrylnitril bestehen und durch Pyrolyse in Kohlenstoff umgewandelt werden, zu Garnen verzwirnt und zu Matten verwebt.

Beim Formel-1-Rennwagen besteht das Monocoque, das Fahrer und Motor aufnimmt, allein aus etwa 1.500 dieser Kohlenfasermatten, ein Frontflügel aus etwa 20 Teilen.

In einem zeit- wie kostenaufwendigen Verfahren werden die schwarzen Matten in Reinraum-Atmosphäre zugeschnitten, per Hand in Formen gelegt, satt mit Epoxidharz getränkt und dann bei Temperaturen um 150 Grad in einem großen Autoklaven, einer Art Ofen, bei Überdruck fünf bis sechs Stunden lang "verbacken", um anschließend in Ruhe auszukühlen. Je nach Komplexität und notwendiger Festigkeit des Bauteils kann der gesamte Prozess vier Tage dauern.

Für eine Jahresproduktion von 100.000 Strukturbauteilen aus karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK), wie sie für Straßenfahrzeuge benötigt werden, ist ein derartiges Verfahren nicht nur zu zeit-, sondern wegen des hohen Anteils von Handarbeit auch zu kostenintensiv.

Neue Verfahren ermöglichen es nun, die Teile vollautomatisch und beinahe im Minutentakt herzustellen. Dabei werden keine vorkonfektionierten CFK-Gewebematten verbacken, sondern entweder Endlosfasern von der Rolle oder klein gehäckselte Faserschnipsel. Ein Bauteil soll bei dem sogenannten Harz-Injektionsverfahren schon nach 360 Sekunden fertig sein. Das neue Spaltimprägnierverfahren, das an der RWTH Aachen entwickelt wurde, verspricht sogar Zeiten von 180 Sekunden.

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