Konstruieren mit Carbon

Praktische Tipps & Tricks für Konstrukteure

Carbon als Hochleistungsmaterial

Vorteile und Herausforderungen

Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) zählt heute zu den leistungsfähigsten Werkstoffen im modernen Leichtbau. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Kombination aus hoher Festigkeit, Steifigkeit und geringem Gewicht findet Carbon breite Anwendung in High-Tech-Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Motorsport, Robotik oder Medizintechnik. Doch wer mit Carbon konstruiert, sollte die besonderen Eigenschaften des Materials genau kennen, um dessen Potenzial optimal zu nutzen.

Carbon überzeugt insbesondere durch seine hohe Steifigkeit und seine exzellente Ermüdungsfestigkeit. Bauteile aus CFK verformen sich kaum unter Last und behalten ihre Struktur auch über lange Zeiträume hinweg bei. Zudem ist das Material korrosionsbeständig, chemikalienresistent und hervorragend auf individuelle Belastungssituationen anpassbar – beispielsweise durch gezielte Ausrichtung der Fasern. Ein weiterer Vorteil: Carbon altert langsamer als viele metallische Werkstoffe.

Allerdings bringt Carbon auch Herausforderungen mit sich. Sein sprödes Bruchverhalten unterscheidet sich deutlich vom duktilen Verhalten klassischer Metalle – Überlastungen führen im schlimmsten Fall zu plötzlichem Versagen. Hinzu kommen höhere Materialkosten und ein größerer Aufwand in der Bearbeitung, da CFK nicht einfach geschweißt oder plastisch verformt werden kann. Stattdessen sind spezialisierte Fertigungstechniken erforderlich.

Technische Eigenschaften von Carbon

Was Konstrukteure wissen müssen

CFK ist nicht nur leicht und stabil – es besitzt Eigenschaften, die in bestimmten Anwendungen deutliche Vorteile bieten:

Geringstes Gewicht und höchste Dynamik: Bauteile aus Carbon-Faserverbundwerkstoffen (CFK) besitzen eine deutlich geringere Dichte als klassische Werkstoffe (z. B. 1,6 g/cm³ bei Carbon vs. 2,7 g/cm³ bei Aluminium). Dadurch wird die bewegte Masse drastisch reduziert, was zu einer erhöhten Dynamik führt – besonders vorteilhaft für Drohnen, Robotik oder Motorsport-Anwendungen.
Geringe Wärmeausdehnung: CFK-Komponenten weisen eine sehr geringe Wärmeausdehnung auf (etwa Faktor 10 geringer als bei Stahl, Faktor 20 gegenüber Aluminium). Diese Eigenschaft sorgt für hohe Maßstabilität bei Temperaturschwankungen – essenziell in der Raumfahrt, bei Präzisionsinstrumenten oder optischen Hochleistungssystemen.
Röntgentransparenz: Carbon ist nahezu durchlässig für elektromagnetische, Gamma- und Röntgenstrahlung (geringer Massenschwächungskoeffizient). Dies macht CFK ideal für Anwendungen in der Medizintechnik (z. B. CT-Diagnostik, Bestrahlung) sowie für die zerstörungsfreie Materialprüfung.
Hohe Dämpfungseigenschaften: Carbon-Bauteile bieten überragende Dämpfungseigenschaften (etwa Faktor 10 besser als Metalle). Sie reduzieren Vibrationen, absorbieren Schwingungen (auch akustisch) und verbessern dadurch nicht nur den Komfort und die Langlebigkeit von Bauteilen, sondern auch die Geräuschentwicklung – relevant im Maschinenbau, Fahrzeugbau und der Luftfahrt.
Hervorragende Steifigkeit: Mit einem E-Modul von 70–250 GPa bieten CFK-Materialien eine Steifigkeit, die Aluminium und in vielen Fällen auch Stahl übertrifft – bei gleichzeitig signifikant geringerem Gewicht. Diese Kombination ist optimal für Leichtbauanwendungen mit hohen Festigkeitsanforderungen.
Korrosions-, Witterungs- und Chemikalienbeständigkeit: Carbon-Verbundwerkstoffe sind korrosionsfrei, beständig gegenüber vielen Chemikalien und unempfindlich gegen Witterungseinflüsse. Das macht sie ideal für den Einsatz in aggressiven, feuchten oder salzhaltigen Umgebungen – z. B. in Offshore-Anlagen, chemischer Industrie oder Automotive-Komponenten im Exterieurbereich.

Diese Eigenschaften machen Carbon in vielen Bereichen zur besseren Alternative gegenüber Metall – vorausgesetzt, Konstruktion und Verarbeitung sind darauf ausgelegt.

Fertigung & Bearbeitung

So entsteht das fertige Bauteil

CFK kann nicht umgeformt oder geschweißt werden. Stattdessen erfolgt die Bearbeitung spanend, meist durch Fräsen, Bohren oder Schneiden. Dabei kommt es auf das richtige Verfahren und Werkzeug an.

Typische Bearbeitungsmethoden:

CNC-Fräsen mit diamantbeschichteten Werkzeugen für höchste Präzision und saubere Schnittkanten.
Fräsen von Konturen, Profilen, Bohrungen, Senkungen, Gewinden, Passungen, Taschen und Fasen.
Beidseitige und umseitige Bearbeitung von Platten, Rohren und Profilen.
Gravieren von Seriennummern, Teilenummern und Logos.
Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden für komplexe Geometrien ohne mechanische Belastung.
Hohe Drehzahlen und niedriger Vorschub vermeiden Delamination und übermäßige Hitzeentwicklung.

Je nach Geometrie und Materialaufbau ist oft eine Kombination mehrerer Verfahren sinnvoll.

Montage von Carbon-Baugruppen

Verbindungen richtig wählen

Die Verbindung von CFK-Bauteilen erfordert angepasste Techniken, da das Material nicht plastisch verformbar ist.

Gängige Verbindungs- und Fügeverfahren:

Verschrauben: Gewindeeinsätze oder spezielle Verbindungselemente verhindern Materialschwächung.
Verkleben: Hochfeste Epoxidharz- oder Strukturklebstoffe sorgen für form- und kraftschlüssige Verbindungen.
Stecken & Verstiften: Geeignet für modulare Baugruppen oder Bauteile mit wechselnden Anforderungen.
Hybridlösungen: Kombination von Carbon mit Metallen oder Kunststoffen zur Optimierung der Bauteileigenschaften.

Die Auswahl der Verbindungstechnik richtet sich nach Belastung, Bauteilgeometrie und Einsatzbereich.

Vielfältige Anwendungsbereiche

Wo Carbon seine Stärken ausspielt

Carbon-Faserverbundwerkstoffe (CFK) kommen in zahlreichen Branchen zum Einsatz – überall dort, wo geringes Gewicht, hohe Steifigkeit, Temperaturstabilität oder besondere Materialeigenschaften gefragt sind.

In der Luft- und Raumfahrt werden CFK-Komponenten als tragende Strukturelemente, Verkleidungen oder Innenelemente verbaut, um Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig höchste Stabilität zu gewährleisten. Die geringe Wärmeausdehnung sichert zudem die Maßhaltigkeit unter extremen Temperaturbedingungen – essenziell etwa bei Satelliten oder Präzisionsinstrumenten.

Auch in der Automobilindustrie und insbesondere im Motorsport ist Carbon kaum noch wegzudenken: Leichte und zugleich extrem steife Fahrwerksteile, Karosseriekomponenten, Aerodynamikelemente und Sicherheitszellen steigern Leistung und Effizienz.

Im Maschinenbau ermöglichen CFK-Bauteile besonders schwingungsarme und präzise Konstruktionen – ideal für hochdynamische Fertigungsprozesse, Werkzeugmaschinen oder optische Messsysteme, bei denen es auf Vibrationsdämpfung und thermische Stabilität ankommt.

In der Medizintechnik überzeugt Carbon durch seine Röntgentransparenz, elektromagnetische Durchlässigkeit und Biokompatibilität. Es wird unter anderem in Patientenliegen, Halterungssystemen für Bildgebung oder Prothesen eingesetzt, wo Strahlungsdurchlässigkeit und Gewicht eine Rolle spielen.

Auch im Drohnenbau und in der Robotik profitieren Entwickler von den hervorragenden mechanischen Eigenschaften: CFK-Komponenten sind leicht, extrem steif, witterungs- und chemikalienbeständig – ideal für langlebige, energieeffiziente Systeme im Outdoor- oder Industrieeinsatz.

Ein weiterer wachsender Bereich ist die Anwendung in der optischen und messtechnischen Technik. Dank der hervorragenden Steifigkeit und minimalen thermischen Ausdehnung eignen sich Carbonstrukturen ideal als Träger für Spiegel, Sensoren, Lasersysteme oder Präzisionsachsen. Sie sorgen für reproduzierbare Messergebnisse und stabile Ausrichtungen selbst bei wechselnden Umgebungsbedingungen – ein entscheidender Vorteil in der Hochpräzisionsmesstechnik, Photonik und bei wissenschaftlichen Instrumenten.

Carbon Components GmbH & Co. KG - Wir sind Ihr Partner für Konstruktion und Entwicklung mit Carbon

Als erfahrener Fertigungspartner unterstützt die Carbon Components GmbH & Co. KG Konstrukteure, Entwickler und Ingenieure bei der Realisierung anspruchsvoller CFK-Lösungen. Unsere Expertise reicht von der Materialberatung über die Konstruktionsunterstützung bis hin zur Serienfertigung – stets mit einem Fokus auf Qualität, Präzision und Termintreue.

Unsere Fertigung basiert auf modernster CNC-Technologie, mit der wir hochpräzise 2,5D-Frästeile exakt nach Kundenvorgaben umsetzen. Dabei bearbeiten wir Platten, Rohre und Profile beidseitig oder rundum, inklusive Bohrungen, Passungen, Senkungen oder Gewinden. Auch Gravuren zur Kennzeichnung oder Veredelungen durch Lackierung und Bedruckung gehören zu unserem Angebot.

Zudem entwickeln wir Hybridstrukturen, die Carbon mit Metall- oder Kunststoffkomponenten kombinieren, um mechanische und funktionale Anforderungen optimal zu erfüllen. Ob als Ersatz für bestehende Metallbauteile oder als Neuentwicklung – wir beraten Sie umfassend zur Materialauswahl und zum passenden Fertigungsprozess.

Unsere Leistungen für Konstrukteure & Ingenieure:

✔ CNC-Frästechnik mit diamantbeschichteten Werkzeugen für höchste Präzision und sauberste Schnittkanten.
✔ Fertigung individueller 2,5D-Frästeile, exakt nach Ihren Vorgaben.
✔ Fräsen von komplexen Strukturen, einschließlich Gewinden, Bohrungen, Senkungen und Passungen.
✔ Beidseitige und umseitige Bearbeitung von Platten, Rohren und Profilen.
✔ Gravur von Seriennummern, Teilenummern oder Firmenlogos für eindeutige Kennzeichnung.
✔ Herstellung von Hybridstrukturen, die Carbon mit Metallen oder Kunststoffen kombinieren.
✔ Entwicklung & Konstruktion zur Optimierung von Bauteilen und Baugruppen, auch als Ersatz für Aluminium oder Stahl.
✔ Materialauswahl & Beratung, um die ideale Lösung für Ihre Anwendung zu finden.
✔ Serien- und Prototypenfertigung, mit kurzen Lieferzeiten.
✔ Veredelung durch Lackieren oder Bedrucken, für ästhetische und funktionale Oberflächen.

Technische Spezifikationen unserer Fertigung:

✔ Materialien: Carbonfaser (CFK), Glasfaser (GFK) und weitere technische Verbundwerkstoffe.
✔ Halbzeuge: Platten, Rohre und Profile, mit Standard oder kundenspezifischem Lagenaufbau.
✔ Bauteilabmessungen: Bis 2.200 x 900 x 50 mm, Materialstärken von 0,2 mm bis 30 mm, D250 x 2.000 mm bei Rohren
✔ Eckenradien bis R0,5 mm, abhängig von Fräswerkzeugen.
✔ Toleranzen: Nach DIN ISO 2768, auf Wunsch Genauigkeiten von ±0,05 mm.
✔ Lieferzeiten: Musterteile innerhalb von 48 Stunden, Klein- und Serienfertigung in 10-15 Arbeitstagen.
✔ Kostenloses Angebot innerhalb von 24 Stunden!

Ob für Prototypen oder Serienfertigung, für High-Tech-Industrien oder individuelle Speziallösungen – wir stehen Ihnen mit unserer Expertise zur Seite!
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