GESCHMIEDETES KARBON
Ähnlich wie gewebte Kohlenstofffasern ist geschmiedetes Karbon ein Verbundmaterial. Anstatt gewebt zu werden, werden die Fasern in Segmente von wenigen Millimetern geschnitten, die dann geordnet oder zufällig mit der Harzmatrix vermischt werden.
Geschichte
Die Herstellung von Kohlenstofffasern aus Monofilamenten von Polymeren (PAN-Methode), wie sie in der Uhrenindustrie verwendet wird, wurde 1963 patentiert. Die Industrialisierung von Karbonteilen begann bereits 1970. Die hohen Produktionskosten begrenzten ihre Verwendung zunächst auf die Bereiche der Luft- und Raumfahrt. Mit sinkenden Produktionskosten konnten Kohlenstofffasern ab den 1990er Jahren breitere Anwendungen finden. Gegen Ende dieses Jahrzehnts fanden gewebte Kohlenstofffasern ihren Weg in sämtliche Gehäusekomponenten einer Uhr. Zehn Jahre später wurden erstmals Bewegungskomponenten (Platinen und Brücken) aus diesem Material bekannt. Geschmiedetes Karbon trat zu Beginn des 21. Jahrhunderts auf und wird sowohl für Gehäusekomponenten als auch für Bewegungsteile (Platinen und Brücken) geschätzt.
Fasensynthese
Die Synthese von Kohlenstofffasern, die als Verstärkungsmaterial für Verbundwerkstoffe dienen, erfolgt nach Wahl aus Monofilamenten von Polymeren (PAN), Kohlenwasserstoffen (Öl, Kohle) oder Zellulosen. In der Uhrenindustrie wird in der Regel die PAN-Methode verwendet. Verschiedene chemische und thermische Schritte (Pyrolyse) entfernen alle Atome außer Kohlenstoff (Karbonisierung bei etwa 1500°C), oder fügen Kohlenstoffatome hinzu (Graphitisierung), um Filamente mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90 % zu erhalten.
Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs
Die Fasern mit einem Durchmesser von 5 bis 10 Mikrometern werden in regelmäßige Segmente geschnitten, die eine Länge von einigen Millimetern erreichen können. Die Fasersegmente können dann entweder zufällig oder entlang einer bestimmten Achse mit der Harzmatrix vermischt werden. Die Ausrichtung der Kohlenstofffasersegmente und deren Dichte bieten eine große Variabilität in den mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs.
Aushärtung
Der Verbundwerkstoff kann in eine Form gelegt und in einem Autoklaven bei Temperaturen bis zu 250°C und einem maximalen Druck von 15 bar gehärtet werden, um Blöcke zu erzeugen, die dann weiter bearbeitet werden können. Neue Technologien ermöglichen die Herstellung von widerstandsfähigerem geschmiedetem Karbon durch Optimierung der Fertigungszeit. Eine davon besteht darin, den Autoklaven durch eine Presse zu ersetzen, bei der die Form beheizt wird. Ein Belüftungssystem der Form ermöglicht es, mit höheren Temperaturen zu arbeiten, ohne das Harz zu beeinträchtigen. Schließlich ermöglicht die Presse Drücke von bis zu 250 bar. Die Blöcke aus geschmiedetem Karbon sind dann bereit für die Bearbeitung.
Bearbeitung
Die Bearbeitung der Blöcke aus geschmiedetem Karbon umfasst übliche Vorgänge wie Drehen, Fräsen und Bohren. Die Materialien der Werkzeuge, die für die Bearbeitung von geschmiedetem Karbon verwendet werden, umfassen Keramik, Hartmetall, polykristallines Diamant und kubisches Bornitrid. Aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit hält Karbon die Wärme und leitet sie nur sehr gering an das Werkzeug weiter. Zu hohe Temperaturen können jedoch das Harz der Matrix schädigen und die Eigenschaften des Materials beeinträchtigen. Die Bearbeitung von geschmiedetem Karbon erfordert daher längere Bearbeitungszeiten, da es normalerweise keinen Kühlflüssigkeit standhält. Nach Fertigstellung der Komponente sind verschiedene Nachbearbeitungen möglich: Entgraten, Polieren, Auftragen von mattem oder glänzendem Lack usw.
Eigenschaften des geschmiedeten Karbons
Geschmiedetes Karbon ist leicht und weist eine sehr hohe Zug- und Druckfestigkeit auf. Es hat eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung (Zähigkeit) und eine ausgezeichnete Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus weist geschmiedetes Karbon einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Der Elastizitätsmodul von geschmiedetem Karbon variiert je nach Dichte der Fasern und der Art der Matrix, bleibt jedoch immer hoch. Daher sind Komponenten aus geschmiedetem Karbon gut gegen Verformungen resistent, können jedoch bei übermäßiger Belastung (Verformung oder Aufprall) brechen. Geschmiedetes Karbon hat eine marmorierte Oberfläche, die sich von den gewebten Strukturen der Kohlenstofffasergewebe unterscheidet. Je nach Dichte des Kohlenstoffs im Verbundwerkstoff kann die Qualität des geschmiedeten Karbons erheblich variieren.
Anwendungen in der Uhrenindustrie
Geschmiedetes Karbon wird in der Herstellung aller Gehäusekomponenten (Gehäuse, Armbänder, Zifferblätter) geschätzt. In sehr seltenen Fällen wird es auch zur Herstellung von Platinen und Brücken verwendet.