Carbon kleben

CFK-Bauteile auf Basis von Carbonfasern mit ihren hohen Festigkeitswerten finden sich heutzutage in Flugzeugen, Windkraftanlagen oder in Sportgeräten. Vor allem der Automobilbau setzt künftig beim Leichtbau auf dieses hochfeste und leichte Material. Gerade bei den hier anzutreffenden Materialmix-Strukturen zählt Kleben als Königsweg zum Fügen der CFK-Bauteile.

Kohlenstoff- (bzw. Carbonfasern) sind industriell gefertigte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Basismaterialien. Chemische Prozesse wandeln diese in einen graphitartig angeordneten Stoff um. Zwar hat eine solche Kohlenstoff-Faser nur einen Querschnitt von etwa fünf bis neun Mikrometern, doch von diesen werden üblicherweise 1.000 bis 24.000 Fasern zu einem Multifilamentgarn zusammengefügt (Roving). Die Weiterverarbeitung zu textilen Flächengeweben erfolgt auf Web-, Flecht- oder Multiaxial-Wirkmaschinen zu Verstärkungsfasern in Flächengebilden – etwa für den Flugzeugbau, wo sie mit Harz (z.B. duromeren Kunststoffen) zu sogenannten Prepregs gefertigt werden.

Der große Vorteil solcher CFK-Bauteile (Carbonfaser verstärkter Kunststoff) ist, dass sie, bei einem Fünftel des Gewichtes, die gleiche Zugfestigkeit wie ein gleich dimensioniertes Stahlbauteil haben und nicht rosten. So reißt beispielsweise ein Kohlefaserfaden erst ab einer Länge von 100 km unter seinem Eigengewicht, während ein Stahldraht schon bei 26 km Länge reißt.

Kennzeichnende Eigenschaften der Kohlenstofffasern

Anwendungsgebiete

Zu finden sind stabile CFK-Bauteile zum Beispiel beim Airbus A380-Seitenleitwerk oder im Rumpf der Boeing 787. Auch Flügel der Windkraftanlagen bestehen i.d.R. auf CFK. Im Alltag finden sich Carbonfaser verstärkte Materialien ebenso bei Sportgeräten (z. B. Angelruten, Sportbögen, Tennisschlägern, Wasserski, Speedskates, Ruderbooten, wie in Rennrädern/Mountainbikes und hier nicht nur für die Rahmen, sondern auch bei Lenkern, Kurbeln, Sattelstützen und Laufrädern.

Vor allem der im Automobilbau bestehende Leichtbau-Trend führt zum verstärkten Einsatz von Mischbauweisen sowie Leichtbauwerkstoffen speziell mit Kohlefaser-verstärktem Kunststoff (CFK). Gerade bei solchen Materialmix-Strukturen (CFK mit hochfesten Stählen, Magnesium- oder Aluminium-Bauteilen) ist die Klebtechnik als Fügetechnik prädestiniert, die zudem wirtschaftlicher als herkömmliche Fügeverfahren eingesetzt werden kann. Denn mechanische Fügeelemente (z. B. Schrauben oder Niete) schädigen nicht nur die Faserstruktur, was zu einer erheblichen Schwächung des Bauteils führt, sondern sind auch aufwändiger zu verarbeiten. Zudem kann bei Materialmix-Verbindungen durch das Verbindungselement zwischen den beiden Fügeteilen ein elektrischer Kontakt entstehen, der zur Korrosion führt.

1. Einsatz von „schrumpfarmen“ Klebstoffen
2. Verhindern von überschüssigen, herausquellenden Klebstoffen
3. Gleichmäßige Klebschichtdicke
4. konstante Härtungsbedingungen
5. Vermeidung von Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung
6. Verhindern von thermischer Schädigung der Außenhaut als Folge zu hoher Härtungstemperatur

Anwendungsbeispiele für CFK-Klebungen

Bei allen BMW M-Modellen wird das Kohlefaserdach mit der Karosserie geklebt und beim Audi R8 GT Spyder z.B. werden Seitenbleche aus CFK gefertigt und mit einem 2K-Epoxidklebstoff gefügt.

Nach dem Entformen sind CFK-Oberflächen regelmäßig nicht bzw. nur schlecht für das Kleben geeignet. Zum einen liegt dies daran, dass sich die Polymerketten wegen der niedrigen Polarität der Formoberfläche während der Vernetzung meist zu einer unpolaren Oberfläche ausbilden. Hinzu kommt, dass bei der Fertigung der CFK-Strukturen oftmals noch Formtrennmittel eingesetzt werden, mit der sich die thermoplastischen Bauteile sicherer aus der Form lösen lassen. Solche Trennmittel sind jedoch schon in niedrigen Konzentrationen hinderlich für eine gute Klebung. Auch wenn es in den letzten Jahren einen starken Trend zur Optimierung von Formtrennmitteln sowie Harzsystemen gegeben hat, ist eine vorherige intensive Vorbehandlung der Werkstücke in aller Regel unerlässlich. Sie bildet die Basis für eine polare und gut benetzbare Oberfläche, an die der Klebstoff gut und zuverlässig anbinden kann. Die in der Flugzeug- und Automobilindustrie verbreitete Methode zur Vorbehandlung von CFK-Oberflächen vor dem Kleben ist bislang oft noch das aufwändige manuelle Schleifen, Abwischen mit Lösungsmitteln oder maschinell unterstützt mittels Laserstrahlen:

• Die Laser-Vorbehandlung zum selektiven Abtrag einer etwa 20 µm großen Schicht der Harzmatrix ermöglicht anschließend einen effizienten Klebeprozess.
• Falls sich auf den Einsatz von Trennmitteln in der Fertigung nicht verzichten lässt, hat sich aktuell besonders die CO2-Schneestrahl-Reinigung als brauchbar bewiesen.

Vorteil: ein für die Oberfläche äußerst schonendes Verfahren, das die Werkstückoberfläche nicht verletzt, jedoch intensiv reinigt. Namhafte Automobilfirmen wie BMW nutzen das CO2-Schneestrahlen schon in der Serienproduktion.

• Ein ziemlich neuartiges Verfahren zur Reinigung und Aktivierung von Oberflächen arbeitet mit Vakuum-Ultra-Violett-Strahlung (VUV). Hierzu fahren sogenannte Excimer-Lampen über die zu behandelnden Oberflächen.
• Bei der Oberflächenvorbehandlung mittels Vakuum-Saugstrahlen werden feinste Partikel mit Hochgeschwindigkeit auf das Material geblasen.

Auswahl geeigneter Klebstoffe für CFK

Faserverbundwerkstoffe wie CFK (aber auch GFK) lassen sich hochfest mit Zugscherfestigkeiten von bis zu 18,2 Mpa kleben, beispielsweise mit dem 3M Hybrid-Konstruktionsklebstoff Scotch-Weld 7270 B/A SDI auf Acrylat- und Epoxidharzbasis. Das Produkt beinhaltet einen Farbindikator, welcher sowohl den perfekten Mix der beiden Komponenten, als auch den Stand der Aushärtung durch einen Farbumschlag von gelb zu grün deutlich anzeigt. Der Klebstoff enthält außerdem Glaskugeln für die optimale Kontrolle der Dicke der Klebschicht, was damit höchste Sicherheit im Fertigungsprozess garantiert. Das Produkt zielt speziell auf Anwendungen im industriellen Leichtbau (Multimaterial-Mix Klebungen), etwa zum Kleben von Carbonteilen mit Metallen wie Stahl, Aluminium oder Edelstahl. SW 7270 B/A SDI eignet sich aber auch ideal zum Verbinden von Carbonsteckungen (Stab in Rohr oder Rohr in Rohr).

Bei flächigem Kleben, z.B. von CFK-Dekor Platten, kann Carbonklebstoff mit einem Zahnspachtel dünn und gleichmäßig auf die angeraute Platte aufgetragen werden. Beim Einsetzen von Gewindebuchsen in Carbonrohre, -stäbe oder -platten ist jedoch darauf zu achten, dass die Bohrung die Fasermatrix nicht verletzt. Die Flanken des Gewindeeinsatzes werden sonst nur noch vom Harz zusammengehalten.

Innovative Klebtechnik von 3M verbindet auch bei der 52 Meter hohen Münchner Großskulptur „Mae West“ erfolgreich die modernen Werkstoffe Carbon und Stahl. Das im Rahmen des „Kunst-am-Bau-Programmes“ errichtete Kunstwerk der amerikanischen Künstlerin Rita McBride ist damit das bislang größte Bauwerk, für das CFK eingesetzt wurde. Der untere Teil besteht allerdings im Kern aus Stahlrohren, die in einem patentierten Klebverfahren mit Carbonfasern ummantelt wurden. Zum Einsatz kam hier der innovative 3M Scotch-Weld 2-K-Konstruktionswerkstoff Klebstoff DP 490 auf Epoxidbasis. Dieser gleicht das unterschiedliche Verhalten von Stahl und Carbonfaser bei Temperaturschwankungen aus und verbindet die beiden Werkstoffe dauerhaft und zuverlässig miteinander. DP 490 wurde für das Kleben von Metallen, Faserverbundwerkstoffen und Kunststoffen entwickelt. Er ist zähelastisch, thixotrop und erzielt eine sehr hohe Schälkraft sowie hohe Scherfestigkeiten.

Carbonklebebänder gibt es in verschiedenen Varianten: z. B. als Gewebeband, Dekorfolie mit 3D Carbonstruktur – je nach Einsatzzweck ideal für Designanwendungen, für dekorative Oberflächenbeschichtungen, zum Veredeln von glatten Flächen, aber auch als Reparatur- bzw. Abdichtband. Sie haften auf einer Vielzahl von Untergründen, wie z. B. Wandpaneelen, Türen, Möbeln, Aufzugtüren und Aufzugkabinenwänden, Säulen, Motorhauben, Tanks und Helmen.

Profitipp: Eine sichere und dauerhafte Versiegelung von Carbonmaterial-Schnittkanten gelingt mit handelsüblichem Sekundenkleber. Dies verhindert das Eindringen von Flüssigkeiten wie Wasser, Öl oder Benzin in die offene Harz-/ Faserstruktur. Dazu einfach mit der Dosierspitze des Sekundenkleber-Fläschchens den Klebstoff akkurat auf die Kanten aufbringen.

Im Gegensatz zu Aluminium brechen Kohlefaser-Rahmen (etwa beim Fahrrad) ohne Vorwarnung. Bei komplett durchtrennten CFK-Rohren ist meist nicht mehr viel zu machen, doch Risse und Löcher im Carbon lassen sich recht gut reparieren: Entweder durch das Anlegen sowie Einkleben einfacher Bandagen (wegen der Übergänge aber optisch weniger schön) oder aber durch Abschleifen der einzelnen Fasermatten und Einkleben neuer Schichten. Im Carbonrahmen vorhandene, sich lösende Faserlagen sollten aber mit flüssigem Harz behandelt werden.