Das Prototyping ist ein wichtiger Teil der Produktentwicklung, der die Bewertung des Designs, frühzeitige Tests, Verfeinerung und Validierung von Ideen ermöglicht, bevor sie in die Serienproduktion gehen. Es werden zunehmend Materialien erforscht, die im Vergleich zu herkömmlichen Werkstoffen bessere Eigenschaften bei geringerem Gewicht bieten.
Die hohe Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht und die Steifigkeit von Kohlenstofffasern sind einer der Gründe, warum sie in vielen Branchen bevorzugt werden. Diese Eigenschaften verschaffen ihr einen Vorteil gegenüber Stahl, Aluminium und anderen Materialien für leichte Prototypen. Im Vergleich zu anderen Materialien bietet es eine Kombination aus Effizienz, Geschwindigkeit und hoher Qualität.
Prototypen aus Kohlenstofffasern werden in der Luft- und Raumfahrt, in der Sportartikelindustrie und in der Automobilindustrie verwendet. Kohlefaser wird jedoch nicht nur für das Prototyping, sondern auch für die Herstellung verschiedener voll funktionsfähiger Teile verwendet. Die Verwendung dieses Materials in Flugzeugen hat zu einer Gewichtsreduzierung von 20 bis 30% und einer Senkung der Konstruktionskosten um 15 bis 30% beigetragen, so eine aktuelle Veröffentlichung in Elsevier's Thin-Walled Structures Band 209 [1].
Die Vision 2035+ von Airbus zielt darauf ab, das Gewicht der Kabine durch den Einsatz leichterer, bionischer Elemente um bis zu 40% zu reduzieren, was die Reichweite, die Kraftstoffeffizienz und die Gesamtleistung weiter verbessern wird. Kohlefaser wird wahrscheinlich eines der Materialien sein, die zur Erreichung dieses Ziels verwendet werden. Die folgende Tabelle zeigt, wie Kohlefaser im Vergleich zu anderen Materialien abschneidet
| Material | Kohlefaser | Aluminium | Kunststoff |
|---|---|---|---|
| Spezifische Stärke | 2.457 bis 3.766 kN.m/kg [2] | 100 bis 250 kN.m/kg [3] | 25 bis 85 MPa [4] |
| Dichte | 1600g/m3 | 2.700kg/m3 | 900 bis 1480kg/m3,je nach Typ |
| Steifigkeit | 5 bis 10 Mal steifer als Aluminium | Mäßig steif | Leicht biegen |
| Anmeldung | Am besten geeignet, wenn eine Gewichtsreduzierung wichtig ist | Am besten geeignet, wenn Kosteneffizienz und Langlebigkeit entscheidend sind | Kostengünstig und vielseitig |
| Kosten | Teuer | Mäßig teuer | Erschwinglich |
Kohlefasern können fünfmal stärker sein als Stahl und zweimal stärker als Aluminium mit demselben Gewicht. Die spezifischen Eigenschaften der Kohlenstofffasern hängen von der Art, der Herstellung und der Harzmatrix ab.
Schritte zur Herstellung eines Kohlefaser-Prototyps
Harzspritzguss, Prepreg-Laminierung und Nasslaminierung sind die gebräuchlichsten Techniken für die Herstellung von Prototypen aus Kohlenstofffasern. Die Wahl der Methode hängt in der Regel von den Werkzeugkapazitäten, dem Budget, den gewünschten Eigenschaften oder der Komplexität des Unternehmens ab. Vor dem Prototyping muss jeder Hersteller bei der Erstellung eines Kohlefaser-Prototyps folgende Punkte berücksichtigen.
- Faserausrichtung: Die Ausrichtung der Fasern hat Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Produkts. Achten Sie daher auf die richtige Ausrichtung.
- Kompatibilität der Harze: Der Härter und das Harz müssen mit dem bevorzugten Herstellungsverfahren und der Kohlefaser kompatibel sein.
- Vakuumverpackung: Dies ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von Kohlefaserprototypen, insbesondere bei der Verwendung der Prepregs-Methode. Er hilft, Lufteinschlüsse zu entfernen und die Schichten zu konsolidieren.
Zu den wichtigsten Materialien, die Sie für das Prototyping benötigen, gehören Harz, Kohlefasergewebe, Trennmittel, Härter, Pinsel und Mischbecher. Es ist äußerst wichtig, dass Sie bei der Arbeit mit Kohlenstofffasern und Harzen die richtige Schutzausrüstung tragen. Im Folgenden werden die einzelnen Schritte zur Herstellung eines Kohlefaserprototyps beschrieben.
1. Design und Methodenauswahl
Der Prozess der Erstellung eines Prototyps aus Kohlefaser beginnt mit der Erstellung eines 3D-Modells des geplanten Teils oder Produkts mithilfe von CAD-Software. Danach entscheiden Sie, mit welcher Methode Sie das 3D-Modell zum Leben erwecken wollen. Der Hersteller kann die Form entweder im 3D-Druckverfahren herstellen oder die traditionelle Methode des Formenbaus anwenden. Sobald Sie die Form haben, beschichten Sie sie mit Epoxid, um eine glatte, polierte Oberfläche zu erhalten.
2. Legen oder Gießen
Die Form wird mit einem Trennmittel beschichtet, um zu verhindern, dass der Kohlefaserprototyp daran kleben bleibt. Das Ziel ist, dass sich das fertige Teil leicht von der Form trennen lässt. Nach dem Auftragen können Sie Ihren Prototyp entweder im Layup- oder im Molding-Verfahren herstellen:
- Nassaufstellung: Tragen Sie das Harz direkt auf die Form auf und beschichten Sie es mit Kohlenstofffasern. Diese Methode ist ideal für die kostengünstige Herstellung von Prototypen in kleinen Stückzahlen.
- Prepreg-Laminierung: Lagen von Kohlenstofffasern, die mit teilweise ausgehärteten Harzen vorimprägniert sind, werden unter kontrollierter Temperatur und kontrolliertem Druck auf die Form gelegt. Dadurch kann der Hersteller die Ausrichtung der Kohlenstofffasern und den Harzgehalt genau steuern.
- Resin Transfer Molding: Die trockene Kohlefaser wird in einen Formhohlraum gelegt, und flüssiges Harz wird in den Formhohlraum injiziert, wo es die Fasern imprägniert. Dieses Verfahren wird häufig für die Herstellung von Teilen mit komplexen Formen oder engen Maßtoleranzen bevorzugt.
3. Aushärtung und Endbearbeitung
Der Verbundwerkstoff wird ausgehärtet. Wenn eine Prepreg-Laminierung oder ein Harztransferverfahren verwendet wurde, erfolgt die Aushärtung normalerweise unter kontrollierter Temperatur und kontrolliertem Druck. Nach dem Aushärten wird der ausgehärtete Kohlefaserprototyp vorsichtig aus der Form entfernt (Entformung).
Bei der Endbearbeitung wird in der Regel das überschüssige Material abgeschnitten und eine Beschichtung aufgetragen. Weitere Bearbeitungen, wie z. B. Präzisionsdetails oder Formgebung, können durch CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) erreicht werden. Die Bearbeitung von Kohlenstofffasern kann eine Herausforderung sein. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, sollten Sie immer mit einem erfahrenen Hersteller wie First Mold zusammenarbeiten.
Häufige Carbonfaser-Prototyping-Fehler für Neueinsteiger
Die Herstellung von Prototypen aus Kohlefaser ist aufgrund des komplexen Herstellungsprozesses und der hohen Kosten mit besonderen Herausforderungen verbunden. Ein kleiner Fehltritt kann große Auswirkungen auf die Integrität des Produkts oder das Produktionsbudget haben. Hier sind einige der häufigsten Fehler, die jeder Neueinsteiger vermeiden muss.
1. Unsachgemäße Kostenanalyse
Die Kosten für Kohlefasern sind deutlich höher als die anderer traditioneller Materialien wie Kunststoff und Aluminium. Das übermäßige Streben nach Hochmodul-Fasern kann den Preis weiter in die Höhe treiben, was zu einer vorzeitigen Erschöpfung des Produktionsbudgets führen kann. Außerdem ist der Produktionsprozess für Hochmodul-Kohlenstofffasern energieintensiv. Falls nicht notwendig, sollten Sie Fasern mit mittlerem Modul wählen, um die Kosten zu senken.
Kohlenstofffasern mit hohem Modul bieten zwar eine ausgezeichnete Steifigkeit, haben aber eine geringere Druckfestigkeit als Fasern mit mittlerem Modul, was ihre strukturelle Eignung für Anwendungen, die eine hohe Druckbelastungstoleranz erfordern, einschränken kann.
2. Verarbeitungsfehler
Die häufigsten Fehler bei der Verarbeitung von Kohlefaser-Prototypen entstehen, wenn der Techniker nicht über ausreichende Kenntnisse oder eine spezielle Ausrüstung für die ordnungsgemäße Handhabung der einzelnen Schritte verfügt. So muss beispielsweise die Aushärtung der zur Bindung der Kohlenstofffasern verwendeten Harze bei einer bestimmten Temperatur, einem bestimmten Druck und einer bestimmten Luftfeuchtigkeit erfolgen. Wird dies nicht beachtet, kann es zu einer unsachgemäßen Bindung und einer vorzeitigen Delaminierung oder einem Versagen des Prototyps kommen.
3. Fallstrick bei der Entwurfsspezifikation
Der häufigste Konstruktionsfehler, den Neulinge im Carbonfaser-Prototyping begehen, ist die Wahl der falschen Laminatreihenfolge, was sich auf die Steifigkeit und Festigkeit des Verbundstoffs auswirken kann. Das Versäumnis, den Aufbau richtig auszubalancieren und zu symmetrisieren, kann die gleichen Auswirkungen haben. Weitere konstruktionsbedingte Fehler, die während der Produktion häufig auftreten, sind:
- Hersteller, die für ein bestimmtes Teil eine Methode wählen, die eher auf Bequemlichkeit als auf beabsichtigter Anwendung und Nachhaltigkeit beruht
- Nichtberücksichtigung der Korrosionsbeständigkeit des Materials, was zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann
- Ein unsachgemäßes Werkzeugdesign kann zu Unzulänglichkeiten in der Oberfläche führen, z. B. wenn der Spannmechanismus und die Toleranz nicht richtig berücksichtigt werden.
- Absplitterung oder Rissbildung während der Bearbeitung aufgrund der spröden Natur der Kohlefaser und ungeeigneter Bearbeitungsparameter
Auswahl von Carbonfaser-Prototyping-Dienstleistungen für Ihr Projekt
Es gibt Bereiche, in denen Sie bei der Wahl eines Partners für Ihren Bedarf an Kohlefaser-Prototypen keine Kompromisse eingehen sollten. Dazu gehören die Erfahrung des Lieferanten, seine Qualitätssicherung und seine technologischen Fähigkeiten. Diese Faktoren sind ausschlaggebend dafür, ob der Anbieter in der Lage ist, Ihre speziellen Projektanforderungen zu erfüllen.
Tabelle zur Lieferantenbewertung
| Faktoren | Worauf ist zu achten? |
|---|---|
| Fachwissen und Erfahrung | Bitten Sie den Anbieter, Ihnen seine Erfolgsbilanz bei der Herstellung von Kohlefaserprototypen zu zeigen, einschließlich abgeschlossener Projekte. |
| Zertifizierung | Wenn Ihr Projekt in einer regulierten Branche angesiedelt ist, vergewissern Sie sich, dass der Lieferant über die erforderliche Zertifizierung verfügt. |
| Technologisches Know-how | Wenn möglich, sollten Sie den Betrieb besuchen und sich ein Bild von den Produktionstechnologien machen. |
| Auswahl des Materials | Der richtige Hersteller muss Kohlefasermaterial verwenden, das den Anforderungen Ihres Projekts entspricht. |
| Sicherung der Qualität | Sie sollten über ein solides Qualitätssicherungsverfahren verfügen, das von der Materialprüfung bis zum fertigen Produkt reicht. |
| Liefergeschwindigkeit | Die Durchlaufzeit sollte schnell genug sein, um die Frist für Ihr Projekt einzuhalten. |
| Kosten | Wählen Sie einen Anbieter mit dem besten Preis-Leistungs-Verhältnis, das auch Unterstützung bei der Postproduktion beinhalten kann. |
Achten Sie besonders auf die Kostentransparenz des Anbieters, der die Kosten für Arbeit, Material und Maschinenzeit klar angeben sollte. Zum Beispiel beträgt die Gebühr für die Änderung von Formen normalerweise $200 oder mehr pro Zeit. Die tatsächlichen Kosten ergeben sich aus den Arbeits-, Material- und Maschinenkosten, die für die Änderung der Geometrie oder der Merkmale erforderlich sind. Die Art des Formmaterials und die Komplexität der Änderung erhöhen die Kosten zusätzlich. Mit anderen Worten: Sie werden die Gesamtkosten erst am Ende der Produktion kennen.
Mit dieser Methode der Kostenermittlung ist es schwieriger, die Gesamtkosten für das Prototyping von Kohlenstofffasern richtig abzuschätzen. Wir empfehlen stattdessen, einen Anbieter zu wählen, der Verträge mit festen Gesamtpreisen anbietet. In diesem Fall verpflichtet sich der Lieferant, das Projekt zu einem Festpreis durchzuführen. First Mold stellt seit über einem Jahrzehnt Prototypen durch CNC-Bearbeitung her und bietet die wettbewerbsfähigsten Festpreisverträge in der Branche an. Sie können Buchen Sie hier ein kostenloses Angebot.
FAQ
Kohlefaser hat im Vergleich zu Aluminium, Stahl und Kunststoff ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und ist gleichzeitig leicht, was sie ideal für Teile macht, die eine hohe Festigkeit erfordern.
Kohlefaser ist leicht und besitzt eine hohe Festigkeit, so dass Teile mit komplexen Geometrien leicht hergestellt werden können. Außerdem können Hersteller durch den Einsatz des 3D-Drucks eine schnellere Prototypenerstellung erreichen.
Kohlefaserfilamente sind mit den meisten handelsüblichen FDM/FFF-3D-Druckern kompatibel. Allerdings muss die Düse aufgrund der abrasiven Eigenschaften der Fasern auf gehärteten Stahl aufgerüstet werden.
Referenzen
[1] Xu, X., Peng, G., Zhang, B., Shi, F., Gao, L., & Gao, J. (2024). Materialeigenschaften, Herstellungsverfahren und technische Anwendungen in der Luftfahrt für kohlenstofffaserverstärkte Polymere: Ein umfassender Überblick. Dünnwandige Strukturen, 209, 112899. https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112899
[2] DeMerchant, C. (n.d.). Eigenschaften der Kohlefaser. ChristineDeMerchant. https://www.christinedemerchant.com/carboncharacteristics.html
[3] ChemEurope. (n.d.). Spezifische Stärke. Chemeurope Enzyklopädie. https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Specific_strength.html
[4] MatWeb. (n.d.). Prüfung der Dehnbarkeit von Kunststoffen. MatWeb-Referenz. https://www.matweb.com/reference/tensilestrength.aspx
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