Eigenschaften und Herstellung: CFK, Carbonfaser, kohlenfaserstoffverstärkter Kunststoff, Kohlenstofffaser, Carbon, carbonfaserverstärkter Kunststoff (deswegen auch die Abkürzung CFK) – all diese Begriffe benennen das gleiche Material: einen Verbundstoff aus kohlenstoffhaltigen Fasern, die in „Fadenform“ parallel zueinander, kreuz und quer als Gelege oder als wohlgeordnetes, textiles Gewebe in eine Matrix eingebettet werden. Die Matrix ist ein gießbarer, duroplastischer Kunststoff, häufig Epoxidharz oder Polyester.

CFKs haben ausgesprochen gute physikalische Eigenschaften, insbesondere außergewöhnliche Festigkeits- und Steifigkeitswerte – es ist tatsächlich überraschend bis befremdlich, wenn man ein drei Millimeter dünnes Stäbchen in Händen hält, und es trotz gewisser Anstrengungen nicht so verbiegen kann, wie man es erwartet hätte. Dabei ist das Material besonders leicht, hat eine sehr gute Schwingungsdämpfung und eine geringe Materialermüdung auch bei dauerhafter dynamischer Belastung. Vereinfacht, aber recht anschaulich lässt sich sagen: CFK ist deutlich leichter als Aluminium, in punkto Festigkeit aber mindestens gleichrangig mit Stahl. Weitere Vorteile sind eine sehr geringe Wärmeausdehnung und die gute Korrosionsbeständigkeit.

Die feinen Kohlenstofffasern werden bei der Herstellung zu einzelnen, dickeren Strängen (Rovings) gebündelt. Diese werden je nach Einsatzgebiet weiterverarbeitet: Zum Beispiel werden sie in kleine Stücke geschnitten und zum Laminieren eingesetzt. Hierzu dienen auch ein- oder mehrdirektionale Gelege und Fasermatten, bei denen die Fasern entweder streng in eine Richtung oder kreuz und quer angeordnet sind. Die stabilste Form aber ist die Weiterverarbeitung zu textilen Geweben, bei denen der Aufbau des Geflechts exakt auf die Art und Weise der Belastung, der das Bauteil einmal ausgesetzt sein wird, abgestimmt werden kann. Die höchsten Festigkeiten werden immer in Faserrichtung erreicht – naheliegend ist also, dass eine Gewebestruktur, bei der die Fasern in verschiedenen Richtungen laufen, stabiler ist als ein unidirektionales Gelege.

Halbzeuge aus CFK werden im Wesentlichen in drei verschiedenen Verfahren hergestellt:

• Pultrusion: Hier werden Rovings mit einem Harz (Polyester oder Epoxid – Epoxid ist stabiler, aber auch teurer) getränkt und in Strängen durch eine Extrusionsdüse gezogen, dabei geformt und gehärtet. Die Rovings, resp. Kohlefasern sind hier unidirektional ausgerichtet, das Halbzeug in entsprechender Richtung besonders stabil.
• Filamentwinding: Rovings werden in Harz getränkt und auf rotierende Kerne in veränderbaren Winkeln gewickelt. Je nach Stärke des Rovings und der aufgetragenen Schichtdicken entstehen so verschiedene Qualitäten und Festigkeiten.
• Prepreg – die sichtbare textile Struktur, die typischerweise mit Carbon assoziiert (und gerne auch als Klebefolie imitiert) wird, entsteht, indem mit Harz imprägnierte Gewebematten, sogenannte Prepregs, um Metalldorne gewickelt werden. Auch bei diesem Verfahren kann der Lagenaufbau je nach Anforderungen an das Material angepasst und der Faserwinkel verändert werden. Prepregs weisen die höchsten Festigkeiten auf, sind aber auch deutlich teurer ...

Allgemein wünschenswert ist ein hoher Faseranteil im Material – der liegt in der Regel zwischen 50 und 80 Prozent – 60 Prozent Faseranteil können als solider Standardwert betrachtet werden.

Anwendung: Dem Carbon gehört die Zukunft! Diese Aussage ist vielleicht etwas platt und plakativ, aber die Anwendungsgebiete nehmen immer noch zu. CFK wird vor allem für steife Konstruktionen eingesetzt:

• hochbelastbare Maschinenbauteile mit besonders guter Schwingfestigkeit, stabile Gehäuseteile
• Segellatten, Tennisschläger (aufgrund der Schwingfestigkeit des Materials ist der Tennisarm nicht mehr so verbreitet wie noch in den 70ern), starre Drachen- und Zeltstangen, Rahmenteile und mittlerweile auch Sattelstützen von Fahrrädern
• Fahnen- und Teleskopstangen, Zeigestäbe ...

Häufigste Anwendung ist sicherlich der Einsatz als sehr stabiles Rohr, Profil oder Stab, der bei geringem Durchmesser und Gewicht ausgesprochen stabil ist.

Verarbeitung: CFK-Teile können mit einer Bügel- oder Kreissäge gesägt werden; etwas problematisch dabei ist, dass die Enden etwas ausfransen und auch eine Nachbearbeitung die Schnittstelle nicht wesentlich verbessert. Ideal ist eine Bandsäge mit diamantbesetztem Sägeband, also ein sehr hartes, relativ geschlossenes Sägeband. Alternativ dazu ist ein FEINBOHRSCHLEIFER mit (diamantierter) TRENNSCHEIBE zu empfehlen.

CFK kann mit einem konventionellen Hartmetallbohrer (mit eher niedrigen Drehzahlen) gebohrt werden, besser ist aber auch hier diamantbesetztes Werkzeug. Die Bohrlöcher fransen weniger aus, wenn man in eine weiche Unterlage (Holz, Kunststoff) bohrt.

Kleben lässt sich das Material am besten mit einem zweikomponentigen Klebstoff auf Epoxidbasis. Bei Rohr- oder Stabverlängerungen empfiehlt sich aber grundsätzlich eine (zusätzliche) innen- oder außenliegende mechanische Verbindung in Form einer Manschette oder eines Verbindungsstückes.

CFK-Halbzeuge sind gut lackierbar, allerdings gilt es zu berücksichtigen, dass sie häufig einen Trennmittel-Film an den Außenseiten aufweisen. Es gilt also, wie eigentlich allgemein üblich: erst anschleifen und reinigen, dann lackieren.