Der Verlauf der Fasern bei CFK-Materialien – Varianten, Vor- und Nachteile

Warum der Faserverlauf entscheidet

In einem CFK-Bauteil tragen die Kohlenstofffasern fast die gesamte Last, der Kunststoff drumherum hält sie nur in Position. Fest und steif ist das Bauteil deshalb vor allem in den Richtungen, in denen Fasern verlaufen. Quer dazu trägt im Wesentlichen nur das Harz. Wie die Fasern angeordnet sind, bestimmt also, welche Kräfte ein CFK-Teil gut aufnimmt und wo es empfindlich ist. In diesem Ratgeber stellen wir Ihnen die gängigen Varianten mit ihren Vor- und Nachteilen vor und erklären, was Angaben wie „3K“ bedeuten.

1. Unidirektionaler Faserverlauf (UD)

Bei UD-CFK verlaufen alle Fasern parallel in eine Richtung. So steckt das gesamte Fasermaterial in der Richtung, in der die Hauptlast wirkt.

Vorteile

• Höchste Festigkeit und Steifigkeit in Faserrichtung: Kein anderer Aufbau holt aus derselben Fasermenge in einer Richtung mehr heraus.
• Leicht: Weil kein Material in Nebenrichtungen steckt, ist UD für eine reine Längsbelastung der leichteste Aufbau.

Nachteile

• Empfindlich quer zur Faser: Quer zur Faserrichtung trägt fast nur das Harz. Seitliche Kräfte, Quetschen oder Verdrehen können das Bauteil leicht spalten.
• Nur für klare Lastrichtungen: Wirken Kräfte aus mehreren Richtungen, ist UD allein ungeeignet.

2. Bidirektionaler Faserverlauf (Gewebe und Gelege)

Hier verlaufen die Fasern in zwei Richtungen, meist im rechten Winkel zueinander. Das geschieht entweder als Gewebe, bei dem die Faserstränge wie bei einem Stoff ineinander verflochten sind, oder als Gelege, bei dem zwei Faserlagen ohne Verflechtung übereinanderliegen. Das typische Karomuster von Sichtcarbon ist ein solches Gewebe, meist in Köperbindung.

Vorteile

• Belastbar in zwei Richtungen: Längs und quer nimmt das Material Kräfte gut auf.
• Gutmütig in der Verarbeitung: Gewebe lassen sich gut handhaben, über Rundungen legen und sauber zuschneiden.
• Optik: Gewebe ergeben die bekannte, gleichmäßige Carbonoberfläche.

Nachteile

• Weniger Leistung in einer Richtung: Nur etwa die Hälfte der Fasern trägt in jede der beiden Richtungen. Für dieselbe Last in einer Richtung braucht es daher mehr Material als bei UD.
• Etwas weniger steif als ein Gelege: Im Gewebe sind die Fasern leicht gewellt, weil sie übereinander und untereinander laufen. Das kostet ein wenig Steifigkeit.
• Schwach unter 45°: In der Diagonale zwischen den beiden Faserrichtungen ist das Material deutlich nachgiebiger.

3. Multiaxialer Faserverlauf

Beim multiaxialen Aufbau werden mehrere Lagen in verschiedenen Winkeln übereinandergelegt, typisch sind 0°, ±45° und 90°. Wie viele Lagen in welche Richtung zeigen, wird nach den Kräften gewählt, die das Bauteil aufnehmen muss.

Vorteile

• Gezielt auf die Belastung abgestimmt: Mehr Lagen in Hauptlastrichtung, ±45°-Lagen gegen Verdrehen und Schub, 90°-Lagen gegen Querkräfte.
• Gut für Torsion: Die ±45°-Lagen machen Rohre und Profile verdrehsteif.

Nachteile

• Aufwendig: Auslegung und Fertigung sind anspruchsvoller und teurer, weil viele Lagen exakt ausgerichtet werden müssen.
• Mehr Material für die Hauptrichtung: Jede Lage in einer Nebenrichtung trägt in der Hauptrichtung kaum mit. Für eine reine Längslast ist UD leichter.

4. Quasiisotroper Faserverlauf

Ein Sonderfall des multiaxialen Aufbaus: Die Lagen werden gleichmäßig auf 0°, 45°, 90° und −45° verteilt. Dadurch verhält sich das Material in allen Richtungen der Plattenebene nahezu gleich, ähnlich wie ein Blech. Senkrecht zur Ebene, also durch die Dicke, gilt das nicht.

Vorteile

• Gleichmäßig in der Ebene: Lasten aus beliebigen Richtungen der Ebene werden gleich gut aufgenommen.
• Einfach in der Anwendung: Wo die Lastrichtung unbekannt ist oder wechselt, etwa bei Platten zum Zuschneiden, ist der Aufbau eine sichere Wahl.

Nachteile

• Keine Spitzenwerte: In keiner Richtung erreicht das Material die Festigkeit und Steifigkeit eines UD-Aufbaus.
• Mehr Gewicht für eine klare Lastrichtung: Ist die Hauptlast bekannt, wäre ein gezielter Aufbau leichter.

Die Varianten im Überblick

Was bedeutet „3K“?

Bei CFK tauchen oft Angaben wie „3K“, „6K“ oder „12K“ auf. Sie geben an, aus wie vielen Einzelfasern ein Faserstrang (Roving) besteht. Ein K steht für 1.000 Einzelfasern:

• 3K: 3.000 Einzelfasern je Strang
• 6K: 6.000 Einzelfasern je Strang
• 12K: 12.000 Einzelfasern je Strang

Die Zahl sagt nichts über die Festigkeit der Faser aus, sondern nur, wie dick der Strang ist. Im Gewebe wirkt sie sich vor allem auf das Muster und die Verarbeitung aus:

• 3K ergibt ein feines, gleichmäßiges Gewebe. Es ist die übliche Wahl für Sichtcarbon und dünne, leichte Bauteile.
• 12K ergibt ein grobes Gewebe mit breiten Strängen. Damit lassen sich dicke Lagen schneller und günstiger aufbauen, etwa für große Strukturteile.

Was das für die Praxis bedeutet

• Lastrichtung kennen: Überlegen Sie, wie Ihr Bauteil belastet wird, bevor Sie ein CFK-Halbzeug auswählen. Biegung, Verdrehung und Querkräfte stellen jeweils andere Anforderungen.
• Rohre und Stäbe nicht quetschen: Bei Rohren und Stäben mit überwiegend längs laufenden Fasern sind punktuelle Querkräfte die größte Gefahr. Klemmen Sie sie großflächig, zum Beispiel mit Schellen oder Hülsen, und ziehen Sie Schrauben nicht zu fest an.
• Platten in jeder Richtung nutzen: Plattenmaterial mit Gewebe oder quasiisotropem Aufbau können Sie unabhängig von der Faserrichtung zuschneiden.