Präzisions-Kohlefaserröhren, -platten und Sonderanfertigungen | Weihai Dushi

Klassifizierung des Kerns: Genaue Klassifizierung basierend auf Anwendungsszenarien und Produktformen

Kohlefaserprodukte haben eine breite Palette von Kategorien und können basierend auf Anwendungsgebieten, Produktformen und Substrattypen in vier gängige Hauptkategorien unterteilt werden. Jede Produktart konzentriert sich auf unterschiedliche Anforderungen, wobei eine strikt kontrollierte Wiederholungsrate von unter 50 % eine umfassende Abdeckung mehrerer Branchen ermöglicht.

1. Nach Anwendungsbereich: Szenariobasierte Segmentierung von High-End-Fertigungskategorien

Der Anwendungsbereich ist die zentrale Klassifikationsdimension für Kohlefaserprodukte, und die unterschiedlichen Leistungsanforderungen der Branchen haben spezialisierte Produkte in verschiedenen Formen hervorgebracht. Dabei entfallen auf die vier Hauptbereiche mehr als 80 % des Marktanteils:

• Kohlefaserprodukte für Luft- und Raumfahrt: Diese Produkte erfüllen die Kernanforderungen „höchste Leistung + hohe Zuverlässigkeit“ und umfassen hauptsächlich Strukturbauteile des Flugzeugrumpfes, Flügeloberflächen, Leitwerke, Triebwerkgondeln usw. Einige Hochleistungsprodukte werden zudem für Raketenrumpfstrukturen und Satellitenstützen verwendet. Das Produkt besteht aus Kohlenstofffaser mit hohem Modul (über 40T) und temperaturbeständigem Harz-Verbundwerkstoff, weist eine Zugfestigkeit von über 2800 MPa auf und erfordert eine Qualitätszertifizierung nach Luft- und Raumfahrtstandard (z. B. AS9100). Beispielsweise macht Kohlenstoffaser bei der Boeing 787 rund 50 % des Gesamtgewichts des Rumpfes aus, wodurch der Kraftstoffverbrauch des Flugzeugs um 20 % verbessert wird; Der Falcon-9-Raketenrumpf von SpaceX verwendet eine kohlenstofffaserverstärkte Verbundstruktur, die 40 % leichter ist als eine Aluminiumlegierungsstruktur.
• Kohlenstofffaserprodukte für Fahrzeuge mit neuer Energie: fokussierung auf „Leichtbau + Sicherheit“, hauptsächlich umfassend Karosserierahmen, Batteriepackabdeckungen, Fahrwerkbauteile, Innendekorationen usw. Der Karosserierahmen besteht aus einem 3K-12K-Kohlefaser-Verbundmaterial in Gewebetechnik mit einer Verwindungssteifigkeit von über 40.000 N·m/°, was 30 % bis 50 % leichter ist als ein herkömmlicher Stahlkarosserie; Die Batteriepack-Abdeckung verwendet flammhemmende Kohlefaserprodukte, die sowohl schlagfest als auch feuerbeständig sind und Sicherheitsprüfungen wie Nadelpenetration und Quetschung bestehen können. Hochwertige Automobilhersteller wie Tesla und NIO setzen diese bereits umfassend ein, und das aus Kohlefaser gefertigte Heckflügel des Model S Plaid verbessert die Hochgeschwindigkeitsstabilität um 15 %.
• Kohlefaserausstattung für Sportgeräte: mit „geringem Gewicht+hohen Zähigkeit“ als Kernmerkmal, abgedeckt werden Golfclubs, Angelruten, Tennisschläger, Skier, Fahrradrahmen usw. Diese Art von Produkt verwendet oft 1K–3K kleine Faserbündel aus Kohlenstofffaser, weist eine feine Textur und ausgewogene mechanische Eigenschaften auf und kann je nach Sportanwendung gezielt optimiert werden – beispielsweise wird der Golfclub-Schaft durch unidirektionale Kohlenstoffasern verstärkt, wodurch die Schlagkraft um 10 % gesteigert wird; die Angelrute verwendet eine gestufte Kohlenstoffaserschicht, die Stabilität und Flexibilität ausbalanciert und eine Zugkraft von über 10 kg am Fischkörper aushält.
• Kohlenstofffaserverbundprodukte für industrielle und infrastrukturelle Anwendungen: angepasst an die Anforderungen von „Langlebigkeit + Wirtschaftlichkeit“, einschließlich Windturbinenblätter, Druckbehälter, Rohrleitungen, Baubewehrungsplatten, Industrieroboterarme usw. Die Windturbinenblätter bestehen aus großen Kohlenstofffaser-Strängen (über 48K) und weisen bei einer einzelnen 10-MW-Turbine eine Länge von über 80 Metern auf, was eine Gewichtsreduktion um 25 % gegenüber Glasfaserausführungen bedeutet; Die Baubewehrungsplatte verwendet ein Verbundmaterial aus Kohlenstofffasergewebe und Epoxidharz, wodurch die Tragfähigkeit alter Gebäude um mehr als 30 % erhöht wird, zudem ist die Montage einfach und verkürzt die Bauzeit um 50 %.

2. Nach Produktform: Vollständige Wertschöpfungskette von Basisprofilen bis hin zu komplexen Strukturbauteilen

Je nach ihrer Form können Kohlenstofffaserprodukte in fünf grundlegende Kategorien unterteilt werden, wodurch eine vollständige Wertschöpfungskette von der Rohstoffverarbeitung bis zur Endanwendung entsteht:

• Kohlenstofffaserplatte: eines der grundlegendsten Profile, unterteilt in massive Platten und Wabenplatten, mit einer Dicke von 0,5 mm bis 50 mm, und anpassbar hinsichtlich unterschiedlicher Größen und Oberflächenstrukturen. Massive Platten werden für Gerätegehäuse und Innenausstattungen verwendet; Wabenplatten zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht und hohe Festigkeit aus, haben eine Dichte von nur 0,3 g/cm³ und kommen im Luftfahrt-Innenraum sowie als Bauchplatten für Windturbinenblätter zum Einsatz. Zum Beispiel besteht die Decke einer Flugzeugkabine aus Kohlefaser-Wabenplatten, die 60 % leichter sind als Aluminiumlegierungsplatten.
• Kohlefaserrohr: unterteilt in Rundrohr, Vierkantrohr und unregelmäßiges Rohr, mit einem Durchmesserbereich von 3 mm bis 500 mm, hergestellt durch Wickel- oder Extrusionsverfahren. Rundrohre werden für Angelruten, Fahnenmasten und Zeltstützen verwendet; Vierkantrohre dienen als Rahmen für Fahrräder und Tragkonstruktionen für Geräte; Unregelmäßige Rohre eignen sich für spezielle Anwendungen, wie z. B. Isolierhülsen für Autoabgaskrümmer. Das aus Kohlefaser gefertigte Rohr mit Wickeltechnologie weist eine Umfangsfestigkeit von bis zu 1500 MPa auf, deutlich höher als bei Stahlrohren.
• Kohlefasergeformte Strukturbauteile: maßgeschneidert für komplexe gekrümmte Oberflächen oder besondere Formanforderungen, wie z. B. Triebwerkgondeln von Flugzeugen, Innentüren von Automobilen, robotergestützte Gelenkarme usw. Diese Art von Produkt muss über Formen geformt werden und weist eine Maßgenauigkeit mit einer Abweichung von ≤± 0,2 mm auf. Zudem ist ein mehrachsiger Kohlefaseraufbau erforderlich, um eine gleichmäßige Kraftverteilung sicherzustellen. Beispielsweise wird durch den Einsatz von kohlefaserverstärkten Bauteilen für die Innentür eines Fahrzeugs das Gewicht um 45 % reduziert, während die Schlagzähigkeit um 30 % verbessert wird.
• Kohlefasergewebe-Produkte: hergestellt aus gewebtem Kohlefasergewebe als Grundmaterial, geschnitten und geformt, wie z. B. kugelsichere Westen, Dekorgewebe, Filtermaterialien usw. Die kugelsichere Weste besteht aus einem 1K-Filamentbündel-Gewirke, und die Schutzstufe erreicht NIJ-Stufe III; Dekorgewebe werden mittels Jacquardtechnik in Mustern wie Fußball- oder Rautenmuster hergestellt und für hochwertige Möbel und Autoinnenräume verwendet.
• Kohlefaserverbundprofil eine neue Art von Produkt, das durch Verbundwerkstoffe mit Materialien wie Metall und Keramik gebildet wird, wie z. B. Kohlefaser-Aluminiumlegierungs-Verbundrohre und Kohlefaser-Keramik-Bremsscheiben. Kohlefaser-Keramik-Bremsscheiben halten bei hohen Temperaturen einen stabilen Reibungskoeffizienten aufrecht und werden in Bremssystemen von Sportwagen und Flugzeugen eingesetzt. Ihre Lebensdauer ist fünfmal so lang wie die von metallischen Bremsscheiben.

3. Differenzierte Anpassung der Leistung verschiedener Verbundsysteme basierend auf der Matrixart

Je nach Verbundmatrix-Material können Kohlefasermaterialien in drei große Systeme unterteilt werden, um unterschiedliche Leistungsanforderungen zu erfüllen:

• Auf Harz basierende Kohlefasermaterialien: die gängigste Kategorie, die über 85 % ausmacht und auf Epoxidharz, Phenolharz und thermoplastischem Harz basiert. Produkte auf Epoxidharz-Basis weisen ausgewogene mechanische Eigenschaften auf und werden in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Sportgeräten eingesetzt; Produkte auf Phenolharz-Basis zeichnen sich durch hervorragende Flammwidrigkeit aus und werden im Schienenverkehr sowie bei feuerbeständigen Bauteilen verwendet; Produkte auf thermoplastischem Harz sind recycelbar und kommen bei Gehäusen für Automobile und elektronische Geräte zum Einsatz.
• Kohlefaserverbundstoffe mit Metallbasis: Verbundstoffe mit Metallen wie Aluminium, Titan, Kupfer usw., die das geringe Gewicht der Kohlefaser mit der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Metallen kombinieren und für Kühlkomponenten in elektronischen Geräten sowie leitfähige Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Zum Beispiel weisen Kohlefaseraluminium-Verbundkühler eine um 40 % höhere Wärmeabfuhrleistung im Vergleich zu reinen Aluminiumkühlern auf.
• Kohlefaserverbundstoffe mit Keramikbasis: Basierend auf Keramik weisen sie hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit auf und können langfristig bei Temperaturen über 1000 °C eingesetzt werden. Sie werden für Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken und Industrieofenauskleidungen verwendet. Diese Produktart ist kostenintensiv und wird hauptsächlich in hochwertigen Hochtemperaturanwendungen eingesetzt.

4. Angepasste Ableitungskategorien für spezielle Szenarien basierend auf funktionellen Eigenschaften

Um extremen Umgebungen oder besonderen Anforderungen gerecht zu werden, haben sich Kohlefaserprodukte in mehrere funktionale Unterkategorien entwickelt, wodurch ihre Anwendungsgrenzen erweitert wurden:

• Hochtemperaturbeständige Kohlefaserprodukte: hergestellt aus Polyimidharz oder keramischer Matrix, mit einer Langzeiteinsatztemperatur von 150–1000 °C und einer Erhaltungsrate der mechanischen Eigenschaften von über 85 % bei hohen Temperaturen, verwendet für Bauteile von Flugzeugtriebwerken und industrielle Ofenkonstruktionen.
• Flammgeschützte Kohlefaserprodukte: mit halogenfreien Flammschutzmitteln versehen, erreichen die Flammschutzleistung die UL94 V0-Stufe und weisen eine geringe Rauchdichte beim Brennen auf. Sie werden für den Innenausbau von Schienenfahrzeugen und bautechnische feuerfeste Komponenten verwendet.
• Leitfähige Kohlenstofffasermaterialien: Durch Zugabe von Kohlenstoffnanoröhren oder Verwendung metallbasierter Verbundwerkstoffe beträgt der Oberflächenwiderstand ≤ 10⁴ Ω, eingesetzt für elektromagnetische Abschirmgehäuse und antistatische Bodenbeläge.
• Korrosionsbeständige Kohlenstofffasermaterialien: unter Verwendung einer säure- und alkali-beständigen Harzmatrix, widerstandsfähig gegen Korrosion durch Meerwasser und chemische Medien, eingesetzt für Offshore-Plattformstrukturen und chemische Rohrleitungen.

Kernvorteil: Sechs Kernmerkmale zur Neuausrichtung des Werts der Fertigungsindustrie

Der Grund, warum Kohlefaserprodukte zum „Kernmaterialträger“ für die hochwertige Fertigung werden können, liegt in ihren umfassenden Vorteilen hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, Leichtbau, Umweltverträglichkeit und weiterer Dimensionen, die gemeinsam ihre unersetzliche Marktposition begründen.

1. Ultimative Vorteile bei Leichtbau und Festigkeit

Das Gleichgewicht zwischen Leichtigkeit und hoher Festigkeit ist die Kernwettbewerbsfähigkeit von Carbonfasern. Ihre Dichte beträgt nur 1,7–2,0 g/cm³, was einem Viertel bis Fünftel der Stahldichte und zwei Dritteln der Aluminiumlegierung entspricht. Ihre Zugfestigkeit kann 1500–3000 MPa erreichen, das 5- bis 10-fache von Stahl, und ihre spezifische Festigkeit (Festigkeit/Dichte) übertrifft die herkömmlicher Werkstoffe bei Weitem. In der Luft- und Raumfahrtindustrie können Flugzeuge durch den Einsatz von Carbonfaserprodukten ihr Gewicht um 30 % bis 50 % reduzieren und die Kraftstoffeffizienz um 15 % bis 20 % steigern. Die Boeing 787 kann aufgrund des großflächigen Einsatzes von Carbonfaserprodukten jährlich etwa 12 Millionen US-Dollar an Kraftstoffkosten pro Flugzeug einsparen; in der Automobilindustrie verringert das Carbonfaser-Fahrzeugrahmen das Gesamtgewicht des Fahrzeugs um 40 %, verkürzt die Beschleunigungszeit pro 100 Kilometer um 1–2 Sekunden und senkt den Kraftstoffverbrauch um mehr als 15 %; im Bereich der Windenergie reduziert der Einsatz von Carbonfaserprodukten bei 10-MW-Windturbinenblättern das Gewicht um 25 % und erhöht die Energieerzeugungseffizienz um 5 % bis 8 %.

2. Hervorragende Ermüdungswiderstandsfähigkeit und Haltbarkeit

Kohlefaserprodukte weisen eine hervorragende Ermüdungsfestigkeit auf, mit einer Ermüdungsfestigkeits-Rückhalterate von 85 % - 90 % unter dynamischen Lastwechseln, deutlich höher als die 50 % - 60 % von Stahl. Im Bereich der Windenergie müssen Windturbinenblätter über 20 Jahre hinweg Windlastwechsel standhalten. Durch die Verwendung von Kohlefaserprodukten wird das Risiko eines Ermüdungsversagens um 70 % reduziert; Im Luftfahrtbereich müssen Flugzeugrumpfbauteile Vibrationen aus Zehntausenden von Starts und Landungen standhalten, wobei die Ermüdungsfestigkeit von Kohlefaserprodukten die Nutzungsdauer der Bauteile auf mehr als 25 Jahre verlängern kann. Darüber hinaus weisen Kohlefaserprodukte auch eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit auf und haben eine Lebensdauer von bis zu 15–20 Jahren in Außenbereichen wie Sonnenlicht, Feuchtigkeit, Salzsprühnebel usw., was um mehr als 50 % länger ist als bei herkömmlichen metallischen Werkstoffen. Nach der Einführung von Kohlefasrohren auf Offshore-Plattformen können häufige Austauschmaßnahmen aufgrund von Meerwasser-Korrosion vermieden werden, und die Wartungskosten lassen sich um 60 % senken.

3. Sehr flexible Konstruktion und Anpassungsmöglichkeiten

Kohlefaserprodukte können in allen Dimensionen kundenspezifisch gestaltet werden und passen sich so perfekt an individuelle Anforderungen in verschiedenen Szenarien an. Hinsichtlich der Form kann jede komplexe Geometrie entsprechend der Formgebung hergestellt werden – von einfachen Platten und Rohren bis hin zu unregelmäßigen Strukturen wie Flugzeugtriebwerksgondeln, die alle mit einer Maßgenauigkeit von ≤±0,2 mm präzise gefertigt werden können. Hinsichtlich der Leistungseigenschaften lassen sich Festigkeit, Zähigkeit, Temperaturbeständigkeit und andere Eigenschaften durch Anpassung der Kohlefaserverbund-Spezifikationen (1K–60K), der Schichtausrichtung (0°, 90°, ±45°), der Matrixart und weiterer Parameter optimieren. Beispielsweise wird durch ein Gradientenschicht-Design beim Golfschläger der Krafthebelkopf und die zähe Spitze miteinander kombiniert; hinsichtlich des Erscheinungsbilds können unterschiedliche Oberflächenstrukturen und Farben durch Webtechniken und Oberflächenbehandlungen erzielt werden, wie beispielsweise die Verwendung von Jacquard-Kohlefaser-Dekorplatten im Fahrzeuginnenraum zur Steigerung der hochwertigen Ausstrahlung des Produkts.

4. Hervorragende Prozessanpassung und Formgebungseffizienz

Kohlefaserprodukte sind mit mehreren Formgebungsverfahren kompatibel und erfüllen unterschiedliche Anforderungen – von der Einzelanfertigung bis zur Massenproduktion. Für standardisierte Produkte wie Platten und Rohre können Extrusions- und Wickelverfahren für die Großserienfertigung eingesetzt werden. Die Extrusionsgeschwindigkeit kann 5–10 m/min erreichen, und die Tagesproduktion einer einzelnen Produktionslinie kann über 1000 Meter liegen; für komplex geformte Bauteile (wie Flugzeug-Strukturkomponenten und Autotüren) können Heißpressbehälter und Umformverfahren verwendet werden, mit einem Formzyklus von nur 20–60 Minuten, was sich für den schnellen Produktionsrhythmus der Automobilindustrie eignet; für kleine Serien kundenspezifischer Bauteile (wie hochwertige Sportgeräte) kann die Vakuumsack-Formtechnik angewendet werden, die kostengünstiger ist und eine stabile Formqualität bietet. Außerdem liegt die Ausschussrate bei der Verarbeitung von Kohlefaserprodukten nur bei 5 % – 8 %, deutlich niedriger als die 15 % – 20 % bei der traditionellen Metallbearbeitung, wodurch Materialabfall erheblich reduziert wird.

5. Diversifizierte funktionale Erweiterbarkeit

Neben den grundlegenden mechanischen Eigenschaften können Kohlefaserprodukte durch Verbundmodifikation auch vielfältige funktionale Eigenschaften erreichen und die Anwendungsgrenzen erweitern. Im Bereich des elektromagnetischen Schutzes können leitfähige Kohlefaserprodukte über 99 % der elektromagnetischen Strahlung abschirmen und werden für militärische Ausrüstungen und Gehäuse von 5G-Basisstationen verwendet; hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit und Wärmeableitung weisen kohlefaserverstärkte Metallverbundprodukte einen Wärmeleitkoeffizienten von bis zu 150 W/(m·K) auf und dienen als CPU-Kühlkörper für elektronische Geräte; beim Schwingungsdämpfen ist die Dämpfungsrate von Kohlefaserprodukten mehr als zehnmal so hoch wie die von Stahl, wodurch Betriebsgeräusche und Verschleiß von Fahrzeugchassis sowie industriellen Werkzeugmaschinen reduziert werden können; im Hinblick auf die Röntgenstrahldurchlässigkeit können Kohlefaserprodukte als Strahlenschutzplatten für medizinische Geräte eingesetzt werden und vereinen Schutz und geringes Gewicht.

6. Langfristiger Vorteil bei den Gesamtkosten über den gesamten Lebenszyklus

Obwohl die anfänglichen Beschaffungskosten von Kohlefaserprodukten relativ hoch sind (etwa das 10- bis 20-fache im Vergleich zu Stahl), ist der Vorteil hinsichtlich der Gesamtlebenszykluskosten erheblich. Im Bereich des Schienenverkehrs kann die Verwendung von Kohlefaser-Wagenkomponenten das Gewicht eines einzelnen Wagens um mehr als 250 kg reduzieren, was jährlich etwa 42.000 kWh Strom pro Zug einspart und über einen Lebenszyklus von 10 Jahren die Gesamtkosten um 30 % senkt; Im Bereich der Industrieanlagen kann die Korrosionsbeständigkeit von Kohlefaserprodukten den Wartungszyklus von einem auf fünf Jahre verlängern, die Ausfallzeiten für Wartungen um 40 % verringern und die Produktivität um 15 % steigern; In der Luft- und Raumfahrtindustrie ermöglicht die Leichtbauweise durch Kohlefaserprodukte eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Transportkosten. Bei dem Flugzeug Boeing 787 können die höheren Materialkosten innerhalb von fünf Jahren durch die Einsparungen bei Kraftstoffverbrauch wieder eingespielt werden. Zudem können thermoplastische Kohlefaserprodukte recycelt und wiederverwendet werden, wobei die recycelten Materialien eine Leistungsretention von über 70 % aufweisen und somit die Rohstoffkosten weiter senken.

Verfahrens-USP: präzise Kontrolle und Wertsteigerung von Rohstoffen bis zum Endprodukt

Die Qualität von Carbonfaser-Produkten liegt in präzisen Produktionsprozessen und einer vollständigen Qualitätskontrolle über den gesamten Herstellungsverlauf. Das Verfahrenssystem stellt nicht nur die Produktkonsistenz sicher, sondern erzielt auch eine optimale Balance zwischen Leistung und Kosten und wird so zur zentralen Stütze der Wettbewerbsfähigkeit der Produktkategorie.

1. Kerntechnologie der Formgebung: ein diversifiziertes Technologysystem, das an alle Kategorien angepasst ist

Das Formgebungsverfahren von Carbonfaser-Produkten wird flexibel basierend auf Produktform und Leistungsanforderungen ausgewählt, wobei vier gängige Verfahren mehr als 90 % der Produktkategorien abdecken:

• Zugformverfahren (Pultrusion): wird hauptsächlich zur Herstellung von Profilen mit linearem Querschnitt, wie Platten und Rohren, verwendet. Kohlefaservlies/Gewebe wird kontinuierlich über eine Zugvorrichtung in den Harzbehälter gezogen, um es zu imprägnieren, und anschließend durch Erhitzen der Form gehärtet und geformt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine äußerst hohe Produktionseffizienz aus, mit einer Bandgeschwindigkeit von 5–15 m/min und gleichmäßigen Produkteigenschaften. Die Genauigkeit der Harzgehaltskontrolle beträgt ± 1 %, wodurch es für die großserienmäßige Produktion geeignet ist. Beispielsweise kann bei der Produktionslinie für Kohlefaserröhren die Tagesproduktion einer einzelnen Linie 2000 Meter erreichen, und die Geradheitsabweichung des Produkts beträgt ≤ 0,5 mm/m.
• Wickelverfahren: wird zur Herstellung zylindrischer oder rotationssymmetrischer Produkte (wie Druckbehälter, Rohrleitungen, Raketenrumpf) verwendet, wobei Prepreg aus Kohlefaser mit einer Wickelmaschine in einem vorgegebenen Winkel um eine Kernform gewickelt und anschließend erhitzt und ausgehärtet wird. Der Wickelwinkel kann präzise gesteuert werden (0°–90°), sodass die optimale Festigkeitsverteilung sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung erreicht wird. Beispielsweise kann nach Anwendung der Spiralwickeltechnik der Berstdruck von Hochdruckgasflaschen über 80 MPa betragen, deutlich höher als bei herkömmlichen metallischen Gasflaschen.
• Preßverfahren geeignet für komplexe Bauteile mit komplexer Geometrie (wie z. B. Automobil-Innenausstattungsteile und Sportgeräte). Das Carbonfaser-Prepreg wird entsprechend den Schichtanforderungen in die Form gelegt und durch Erhitzen (120–180 °C) und Pressen (0,5–1,5 MPa) gehärtet. Dieses Verfahren zeichnet sich durch hohe Maßhaltigkeit aus, mit einer Toleranz von ≤± 0,2 mm, und ermöglicht die Serienproduktion. Die Produktionsdauer pro Zyklus beträgt 20–60 Minuten. Teslas Carbonfaser-Heckspoiler wird mit diesem Verfahren hergestellt.
• Heißpressformverfahren: Eingesetzt für hochwertige strukturelle Bauteile in der Luft- und Raumfahrt (wie z. B. Flugzeugflügel und Rumpfhaut). Das Carbonfaser-Prepreg wird schichtweise angeordnet und in einem Heißpressofen bei hohen Temperaturen und Druck (Temperatur 150–200 °C, Druck 0,8–1,2 MPa) ausgehärtet. Dieses Verfahren gewährleistet eine vollständige Durchdringung der Fasern mit Harz, wodurch die interne Fehlerquote unter 0,3 % liegt und die mechanischen Eigenschaften stabil sind. Die Hauptflugzeugmodelle von Boeing und Airbus verwenden dieses Verfahren zur Herstellung zentraler Strukturbauteile.

2. Schlüsselprozesskontrollpunkte: die fünf Kernbereiche, die die Produktleistung bestimmen

Die Qualitätsstabilität von Carbonfaser-Produkten resultiert aus der präzisen Kontrolle des gesamten Produktionsprozesses, wobei fünf Schlüsselbereiche die endgültige Produktleistung direkt beeinflussen:

• Rohstoffauswahl für Carbonfasern: Auswahl geeigneter Carbonfaser-Bündelspezifikationen und Modulklassen basierend auf den Anforderungen an die Produktleistung. Für Luft- und Raumfahrtprodukte werden kleine Bündel mit hohem Modul ab 40T (1K–6K) gewählt, für Industrieprodukte dagegen große Bündel mit maximal 24T (48K oder mehr). Gleichzeitig werden strenge Prüfungen bezüglich Festigkeit, Modul, Kohlenstoffgehalt und weiterer Kennwerte der Carbonfaser durchgeführt; unzulässige Rohstoffe dürfen nicht in die Produktion eingespeist werden.
• Kontrolle der Herstellung von Prepreg-Materialien: Der Harzgehalt und die Gleichmäßigkeit des vorimprägnierten Materials beeinflussen direkt die Leistung des Produkts. Bei der Herstellung mittels Heißschmelz- oder Lösungsimprägnierung wird der Harzgehalt zwischen 30 % und 50 % mit einer Abweichung von ±1 % gehalten; dabei kommt eine computergesteuerte Imprägnieranlage zum Einsatz, um eine gleichmäßige Harzbedeckung jeder Kohlenstofffaser sicherzustellen und Leistungsschwächen durch lokale Klebstoffdefizite zu vermeiden.
• Lagedesign und Umsetzung: Auf Basis der Spannungsanalyse des Produkts erfolgt das Lagedesign zur Festlegung der Faserrichtung, der Schichtenanzahl und -reihenfolge. Beispielsweise verwendet die tragende Struktur abwechselnde 0°/90°-Schichten, während die schlagzähe Struktur ±45°-Schichten aufweist; Der Lägeprozess erfolgt mittels automatischer Wickelmaschine mit einer Genauigkeit von ±0,1 mm, um Faserfehlpositionierungen durch manuelles Legen zu vermeiden.
• Präzise Steuerung der Aushärtungsparameter: Stellen Sie die Aushärtetemperatur, den Druck und die Zeit gemäß der Harzart ein. Bei thermosetzenden Harzen muss die Aufheizrate (2-5 ℃/min) kontrolliert werden, um eine zu schnelle Erwärmung und Blasenbildung zu vermeiden; Überwachen Sie in Echtzeit den Aushärtungsgrad mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC), um eine vollständige Aushärtung des Harzes ohne Überschreitung des optimalen Aushärtungspunkts sicherzustellen.
• Nachbearbeitung und Qualitätsinspektion: Das ausgehärtete Produkt muss Nachbearbeitungsschritte wie Schneiden und Polieren durchlaufen, um die Maßgenauigkeit und Oberflächenglättung sicherzustellen; Jede Produktcharge muss mechanische Eigenschaftstests hinsichtlich Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit durchlaufen. Zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschallprüfung und Röntgenprüfung werden eingesetzt, um innere Fehler zu erkennen, mit einer Fehlererkennungsrate von 99,9 %.

3. Trend der Prozessinnovation: Drei Hauptstrategien zur Förderung der Kategoriewandlung

Die Industrie verbessert weiterhin die Leistung und Wirtschaftlichkeit von Kohlefaserprodukten durch Prozessinnovationen, wobei drei wesentliche Innovationsrichtungen die Entwicklung der Kategorie vorantreiben:

• Automatisierung und intelligente Produktion: Einsatz von Industrierobotern, KI-basierter Bildinspektion und Digital-Twin-Technologie, um eine vollständige Prozessautomatisierung von der Rohstoffauswahl über das Schichten, Aushärten bis hin zur Inspektion zu erreichen. Beispielsweise ist die Ablegegeschwindigkeit einer automatisierten Ablegemaschine zehnmal schneller als manuelle Arbeit, und das KI-Erkennungssystem kann in Echtzeit Fehler wie Faserversetzung oder fehlenden Klebstoff erkennen, wodurch die Produktkonsistenzabweichung auf ± 0,1 mm reduziert wird.
• Forschung und Entwicklung kostengünstiger Verfahren: Entwicklung einer Großbündel-Kohlenstofffaser-Formtechnologie, eines lösungsmittelfreien Prepreg-Verfahrens und eines Schnellhärtungs-Harzsystems zur Senkung der Produktionskosten. Der Preis von Großbündel-Kohlenstofffaser beträgt nur ein Drittel bis ein Fünftel im Vergleich zu Kleinbündeln, wodurch die Kosten für Windturbinenblätter um 40 % gesenkt werden; Durch das Schnellhärtungs-Harz wird der Formzyklus auf unter 10 Minuten verkürzt, was die Produktionseffizienz erhöht.
• Anwendung grüner Recyclingverfahren: Förderung der Recycling- und Wiederverwendungstechnologie für thermoplastische Kohlenstofffasermaterialien, Erzielung einer Rohstoffrückgewinnung durch Schmelzen und Umformen mit einer Recyclingquote von über 80 %; Entwicklung eines Verbundprozesses aus biobasiertem Harz und Kohlenstofffaser, Verringerung der Abhängigkeit von petrochemischen Rohstoffen und Reduzierung der VOC-Emissionen um über 90 %, im Einklang mit dem Trend der grünen Produktion.