Materialforschung

Extrem stabil, rostfrei, hitzefest, leicht: Der schwarze Wunder-Werkstoff vereint alle Eigenschaften, von denen Ingenieure träumen. Jetzt zieht das Material aus der Raumfahrt in unseren Alltag ein.

Es sind Nuancen. Wenn der Musiker die Saiten der elektrischen Bassgitarre zupft, kommen die Töne ein kleines bisschen schärfer als bei einem Instrument aus Holz. Das Spektrum der Klangfarben ist größer: mehr Obertöne, mehr Untertöne. Dieses Instrument ist auch spürbar leichter als die hölzerne Konkurrenz – um mehr als ein Kilogramm. »Vor allem Profispieler wissen das zu schätzen«, sagt Charly Miller, Hersteller des E-Basses. »Wir könnten ihn sogar noch leichter bauen, setzen aber aus psychologischen und ergonomischen Gründen eine Grenze: Der Musiker will beim Spielen einen Widerstand spüren.« Und natürlich schätzen Musiker, die ihr Instrument bei Wind und Wetter transportieren müssen, dass diese Bassgitarre unempfindlich gegen Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen ist: Sie besteht komplett aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.

Ob in der Raumfahrt oder im Brückenbau, ob in Tennisschlägern, Formel-1-Rennwagen oder Musikinstrumenten: Das Hightech-Material, so scheint es, ist überall – dabei hat seine Zukunft gerade erst begonnen. Wo Leichtigkeit und Stabilität gefordert sind, ist er unerreicht: der »carbonfaserverstärkte Kunststoff« (CfK), abgeleitet vom lateinischen »carbo«, Kohle.

Die Idee von Charly Miller, die Faser zum Klingen zu bringen, wurde von einer weiteren Fähigkeit des Werkstoffs beflügelt: Kohlenstofffasern leiten den Schall sechsmal so schnell weiter wie Holz: Dadurch erklingt der elektronisch verstärkte Ton aus dem Lautsprecher fast in Echtzeit – früher vergingen zwischen dem Anschlagen der Saiten und dem Erklingen des Tons stets Bruchteile von Sekunden, worauf der Musiker sich einzustellen hatte. Vor sieben Jahren baute Miller, der in seiner Firma im niederbayerischen Roßbach seit 20 Jahren Kunststoffprodukte herstellt und als Hobby-Gitarrist in einer Band spielt, die weltweit erste E-Gitarre aus CfK: aus einem Stück, nahtlos und hohl wie eine »normale« Gitarre. Er entwickelte dafür ein spezielles Verfahren: Der Verbundstoff aus Kohlenstofffaser und Kunststoff wird in einer geschlossenen Negativform (Fachterminus: »Werkzeug«) mittels eines aufgeblasenen Ballons an die Innenseite der Form gepresst. Für diese Gitarre braucht er weniger Material als für eine Holzgitarre – und nur deshalb liegt ihr Preis etwa in der Kategorie eines Holzinstruments. Eigentlich müsste sie viel mehr kosten – denn CfK ist ein teurer Stoff: Verglichen mit einem verwandten Material, dem glasfaserverstärkten Kunststoff (GfK), ist sein Preis etwa viermal so hoch.

Die Herstellung und die Verarbeitung von kohlenstofffaserverstärktem Kunstoff sind aufwändig. Der Grundstoff für die Fasern wird beim Verkoken von Erdpech gewonnen. In einem Pyrolyseverfahren, einem Zersetzungsprozess durch Hitze, wird die Masse bei Temperaturen von 200 bis 1600 Grad Celsius zu Fäden gezogen, die anschließend gesponnen werden. Diese »Filamente« sind zwischen 7 und 14 Mikrometer dick, und bestehen zu 95 Prozent aus reinem Kohlenstoff.

Anschliessend werden die Fasern in flüssiges Kunstharz, meist Epoxidharz, gebettet und eingedrückt, bis sie ganz durchtränkt sind. So entstehen Matten (»Laminate«), die in mehreren Lagen übereinander in eine Negativform, das Werkzeug, gelegt werden, wo sie zur positiven Form des späteren Bauteils aushärten. Was im Prinzip einfach erscheint, ist in der Praxis voller Tücken. Zunächst muss man ein positives Modell des Bauteils z. B. aus Holz herstellen. Von diesem wird aus einem plastischen Material, etwa Ton, eine Negativform abgenommen. Auf deren Innenseite appliziert man Trennwachs und einen Deckschichtlack, den »Gel-Coat« – damit im folgenden Arbeitsgang der CfK nicht an der Form kleben bleibt. Jetzt beginnt die eigentliche Herstellung des Bauteils: In die Negativform wird eine Schicht Epoxidharz eingestrichen; in diese »Matrix« werden nach und nach die harzgetränkten Laminate eingelegt, bis die gewünschte Bauteilstärke erreicht ist. Nach dem Aushärten des Harzes nimmt man das fertige Bauteil aus der Form.

Auch das ist einfacher gesagt als getan: Denn die Eigenschaften des Werkstoffs müssen für jeden Einsatzzweck maßgeschneidert werden. Und dazu braucht man den Computer: Er berechnet die Rezeptur des Harzes, den Lagenaufbau der Laminate, die Menge der Fasern im Harz und deren Richtung. Der Faserrichtung kommt entscheidende Bedeutung zu: Als »anisotroper« Werkstoff besitzt CfK je nach Ausrichtung der Kohlenstofffasern unterschiedliche mechanische Eigenschaften: In Faserrichtung hat er hohe, quer zur Faser geringe Festigkeit. Der Kons-trukteur muss wissen, welche Kräfte später in welcher Richtung auf das Bauteil wirken, damit er die Kohlenstofffasern entsprechend ausrichten kann. Soll das fertige Produkt in alle Richtungen gleich fest und steif sein, müssen auch die Fasern in alle Richtungen weisen (»Multiaxialgelege«); soll es in eine Richtung sehr steif und quer dazu dehnbar sein, müssen alle Fasern in dieselbe Richtung weisen (»Unidirektionalgelege«). Das perfekte Arrangement beherrschen nur hochqualifizierte Materialspezialisten.

Während die Faserherstellung bei hohen Temperaturen automatisiert erfolgt, arbeitet man beim Laminieren überwiegend per Hand. Deshalb ist jedes CfK-Teil ein Unikat. In einem Spezialofen, dem »Autoklav«, härtet die Masse aus – bei knapp 260 Grad und einem Druck von etwa 8 bar. Nach etwa 2,5 Stunden kann das fertige Produkt aus der Form herausgelöst werden. Die Herstellung birgt keine gesundheitlichen Gefahren, etwa durch Ausdüns-tungen. Allenfalls bei der späteren Bearbeitung – etwa beim Schleifen – sollte man sich vor Kunststoffstaub schützen.

Um einzelne CfK-Bauteile zusammenzufügen, werden die Teile an den Nahtstellen mit dem für die Matrix benutzten Material benetzt – es dient als Klebstoff. Für manche Verbindungen eignen sich auch ganz konventionelle Fügetechnologien wie Nieten und Schrauben.

In gewissen Grenzen kann auch der heimwerkende Laie CfK verarbeiten. In Baumärkten beispielsweise gibt es textile »Halbzeuge« zu kaufen: Kohlenstofffasern und die dazugehörigen Kunststoffharze. Diese sind auf den Do-it-yourself-Gebrauch abgestimmt: Sie härten bereits bei Zimmertemperatur aus, ein spezieller Druckofen ist nicht notwendig. Mit den CfK-Matten aus dem Baumarkt kann man zum Beispiel leichte Schäden am Fahrrad oder am Snowboard ausbessern.

Einen Erfinder im klassischen Sinn hat dieses Material nicht. Wohl aber eine Entwicklungsgeschichte. An deren Anfang erwarb sich Leo Hendrik Baekeland bahnbrechende Verdienste: Er erfand durch Kondensation von Formaldehyd und Phenol das Phenolharz, für das er 1907 das Patent bekam und das er unter dem Handelsnamen »Bakelit« herstellte. Dieser erste vollsynthetische Kunststoff war leicht, hart und spröde. Bis nach dem Zweiten Weltkrieg wurden daraus vor allem Gebrauchsgegenstände wie Elektroschalter oder Haushaltsschüsseln hergestellt.

In den 1930er Jahren folgten dann Polyester und Epoxidharze, die weniger brüchig sind, und auch die ersten Versuche mit faserverstärkten Kunststoffen fallen in diese Zeit. 1945 erfanden die Amerikaner G. Lubin und W. Greenberg ein Verfahren zum Spinnen von Kunststofffasern – dadurch bekamen sie die Länge, die den Laminaten Stabilität verleiht. 1953 produzierte Chevrolet als erster Automobilhersteller Außenteile wie z. B. Kotflügel aus einem Verbundwerkstoff: Hierfür wurden Glasfasern in Polyesterharz getränkt. 1959 begann der Chemieriese Union Carbide mit der Produktion von Kohlenstofffasern, und seit den 1960er Jahren boomt das Material. Die Fülle seiner Qualitäten ist unerreicht: CfK hat nur das halbe Gewicht der Glasfaser, rostet nicht, dämpft Vibrationen, ist stabil, extrem wärmebeständig – und feuerfest.

Das größte Bauteil, das heute im Serieneinsatz komplett aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gefertigt wird, ist das Seitenleitwerk des Airbus. Als Werkzeug dient eine Gussform aus Spezialstahl. Ursprünglich wurde das Material ja in erster Linie für die Luft- und Raumfahrt entwickelt: Man benötigte einen Werkstoff, der mindestens so stabil wie Stahl ist, jedoch wesentlich leichter.

Leichtigkeit und Stabilität schätzt man auch im Automobilbau. Dass die Kohlenstofffaser im Straßen-PKW selten verarbeitet wird, liegt keinesfalls an Unzulänglichkeiten des Materials: Der Aufwand und damit die Kosten sind im Großserienbau einfach zu hoch. Nur in einigen wenigen Luxuswagen wie dem Mercedes SLR McLaren oder dem Porsche Carrera GT findet sich Carbon. Die Herstellung großer Stückzahlen ist noch nicht wirtschaftlich, denn Handarbeit ist heute fast unbezahlbar. Bei Kleinserien dagegen gönnt sich beispielsweise Audi den Luxus: Sein Rennwagen R8, der beim 24-Stunden-Marathon in Le Mans an den Start geht, ist mit einem Chassis aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ausgestattet. Jedes Gramm Gewicht, das eingespart wird, bringt mehr Tempo im Rennen.

Ganze Karosserien aus CfK – auch das gibt’s nur im Rennsport. In der Formel 1 sind diese »Monocoques«, in einem Stück aus Kohlenstofffaser gefertigt, inzwischen sogar Vorschrift. Aus Sicherheitsgründen: Der Faserverbundstoff aus bis zu zwölf Lagen kann bei optimalem Aufbau mehr Energie aufnehmen als jedes metallische Material. Mit dem Mix aus Fasertypen und Verarbeitungstechniken lässt sich das gewünschte Crashverhalten präzise »einstellen«.

Ein echtes Monocoque aus einem Stück präsentierte erstmals 1983 der österreichische Star-Designer Gustav Brunner mit dem deutschen ATS BMW D1, gefahren von Manfred Winkelhock. Die Vollkunststoff-Karosse ist 35 bis 50 Kilogramm leicht. In diesem Fahrzeug bewährte sich die Kohlenstofffaser auch als Material für die Bremsscheiben – heute ist diese Bauweise im professionellen Rennsport üblich. CfK-Bremsscheiben sind mit 1,3 Kilogramm etwa 60 Prozent leichter als die Stahlvarianten, und sie haben kein Problem mit Dauertemperaturen von 750 Celsius Grad und Spitzenwerten von bis zu 1000 Grad. Weil die Kunststoffbremsen so robust sind, wurden sie sogar beim Überschall-Flugzeug Concorde eingesetzt.

Doch wer weiß schon, dass die Kohlenstofffaser auch in Brücken stecken kann? Zwar gibt es noch keine Brücken, die komplett aus diesem Material gebaut sind – aber Lamellen aus CfK verstärken tragende Teile an vielen Stahlbeton- und Holzkonstruktionen, um die Nutzlast zu erhöhen. Stützen und Pfeiler, auf die man Kohlenstofffasermatten laminiert, nehmen im Vergleich zum gebräuchlichen Baustahl mehr als das Doppelte an Zugkraft auf. Vor allem aber haben sich die Faserstoffe bei der Sanierung von Brücken bewährt, weil sie selbst an schwer zugänglichen Stellen einfach aufzubringen sind.

Ein Lichtblick ist die Kohlenstofffaser auch für Astronomen. Im Baader Planetarium im schwäbischen Mammendorf beispielsweise steht ein Teleskop, dessen Tubus komplett aus CfK besteht. Er habe, so der Hersteller Celestron, vor allem den Vorteil, dass er sich bei Temperaturänderungen deutlich weniger ausdehnt oder zusammenzieht: Beim Aluminiumtubus liegen die Abweichungen um das 40-fache höher als beim CfK-Teleskop. Dieser Unterschied wirkt sich besonders bei Nacht aus: Wenn die Temperatur sinkt, verkürzt sich ein Teleskoptubus aus Metall – und ruiniert Aufnahmen mit langen Belichtungszeiten. Der CfK-Tubus dagegen hält Bildqualität und Bildschärfe konstant und garantiert exzellente Ergebnisse.

Wo wir im Alltag auf Kohlefasern stoßen, lässt sich kaum überschauen: Radabdeckungen und Hinterradschwingen von Motorrädern werden daraus hergestellt, aber auch Tretkurbel, Gabeln und ganze Rahmen für Rennräder; rückstoßdämpfende Schulterstützen für Jagdgewehre bestehen aus CfK wie Tennis-, Badminton- und Squashschläger – und, und, und.

Die massenhafte Verbreitung wird aber irgendwann das Problem des Recyclings aufwerfen. Zurzeit landen die Abfälle noch im Restmüll oder werden in Deponien darauf geprüft, ob sie in Verbrennungsanlagen zur Energiegewinnung beitragen können. Eine industrielle Wiederverwertung rechnet sich erst ab einer größeren Menge – doch Konzepte dafür existieren und können bei Bedarf schnell umgesetzt werden.

Im Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) bei Karlsruhe wird gerade an einem Recyclingverfahren geforscht. Das Projekt »MaTech: Neue Materialien für Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts« kommt zu dem Ergebnis: Die Kohlenstofffasern könnten durch Erhitzung aus den ausrangierten CfK-Produkten gelöst und ein zweites Mal zu Laminaten verarbeitet werden. Oder man zerkleinert die CfK-Teile mechanisch, löst ebenfalls durch Hitze die Fasern und fügt neue lange Filamente hinzu, damit das Recycling-Produkt die nötige Stabilität bekommt. Maschinenbau-Ingenieur Dr. Stefan Tröster vom ICT: »Bisher sind kohlenstofffaserverstärkte Polymere ja nur in kleinen Mengen im Umlauf – entsprechend wenig Erfahrung gibt es bei der Rückführung in die Stoffkreisläufe. Aber es ist ganz sicher ein lösbares Problem.«

Funktionierendes Recycling wäre auch ein Beitrag zu größerer Verbreitung der Kohlenstofffaser. Dr. Frank Henning, Abteilungsleiter Polymer Engineering beim ICT, sieht im hohen Preis das eigentliche Problem, und wiederverwendeter CfK wäre deutlich billiger als neuer. Einen weiteren Preisrutsch könnten effizientere Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffasern bewirken – sie werden zurzeit am ICT er-forscht. Sollten sich solche kostensenkenden Verfahren bewähren, dann wäre CfK kein Luxus mehr. »Wenn der Reiz des Materials groß genug ist, sich also die Produktion rechnet, wird man es stärker einsetzen und das Recycling schnell in den Griff kriegen«, prognostiziert Udo Rügheimer von Audi.
Derweil wird weiter intensiv geforscht, getüftelt und entwickelt, und tagtäglich werden neue CfK-Produkte geboren. So zum Beispiel eine ultradünne Injektionsnadel aus Kohlenstofffasern zur Injektion von Medikamenten in die Wirbelsäule – von Medizinern wurde sie bereits erfolgreich ausprobiert. Charly Miller testet zurzeit ebenfalls – seine erste klassische Konzertgitarre aus dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff. Sie sei, so sagt er, schon ziemlich weit gediehen. Bleibt abzuwarten, ob sich ihr Klang auch nur in Nuancen von der hölzernen Konkurrenz unterscheidet.