KOHLENSTOFFFASERN
Wenn von Kohlenstofffasern die Rede ist, handelt es sich in der Regel um einen Verbundwerkstoff, der mit Kohlenstofffasern verstärkt wird. Die Kohlenstofffaser verstärkt eine Matrix aus Epoxidharz, Polyester oder Phenolharz, um einen Verbundwerkstoff zu bilden.
Geschichte
Die Produktion von Kohlenstofffasern aus Monofilamenten von Polymeren (PAN-Methode), wie sie in der Uhrmacherei verwendet wird, wurde 1963 patentiert. Die Industrialisierung von Kohlenstoffteilen begann ab 1970. Hohe Produktionskosten begrenzten ihre Nutzung zunächst auf die Luft- und Raumfahrtindustrie. Mit sinkenden Produktionskosten konnten Kohlenstofffasern ab 1990 auch in anderen Bereichen eingesetzt werden. Ende dieses Jahrzehnts fanden Kohlenstofffasern ihren Platz in allen Gehäusekomponenten einer Uhr. Zehn Jahre später wurden die ersten Uhrwerksteile (Platinen und Brücken) aus diesem Material gefertigt.
Synthese der Fasern
Die Synthese der Kohlenstofffasern, die als Verstärkungsmaterial für Verbundwerkstoffe dienen, erfolgt wahlweise aus Monofilamenten von Polymeren (PAN), Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Kohle) oder Cellulose. In der Uhrmacherei wird in der Regel die PAN-Methode verwendet. Verschiedene chemische und thermische Schritte (Pyrolyse) ermöglichen es, andere Atome als Kohlenstoff zu eliminieren (Karbonisierung bei etwa 1500°C) oder Kohlenstoffatome hinzuzufügen (Graphitisierung), um Filamente mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90 % zu erhalten.
Weben des Gewebes
Die Filamente mit einem Durchmesser von 5 bis 10 Mikrometern werden anschließend gewebt, um ein Gewebe zu bilden. Durch die Ausrichtung der Kohlenstofffasern im gewebten Gewebe kann die Festigkeit des zu fertigen Teils entlang bestimmter Achsen (längs, seitlich, Torsion) gezielt verstärkt werden.
Anwendung der Matrix und Aushärtung im Autoklav
Die meisten Objekte aus Kohlenstofffasern werden direkt auf einer zuvor gefertigten Form gebildet. Das Kohlenstoffgewebe wird auf die Form zugeschnitten, wobei die Orientierung des Gewebes gewählt wird, um die Festigkeit des Teils entlang bestimmter Achsen zu optimieren. Das Gewebe wird sorgfältig auf die Form aufgebracht und mit Harz beschichtet. Es können mehrere Schichten übereinandergelegt werden. Die Aushärtung des Verbundwerkstoffs erfolgt in einem Autoklav bei einer Temperatur von bis zu 250°C und einem Druck von bis zu 1,5 MPa (15 bar). Für Uhrenteile würde das direkte Formen der Teile nicht die erforderliche Präzision der Industrie erreichen. Daher werden Blöcke (nach dem gleichen Verfahren wie oben beschrieben) im Autoklav gegossen, die dann bearbeitet werden, um die für die Uhrmacherei erforderliche Präzision und Toleranzen zu erreichen. Häufig werden auch andere Verstärkungselemente in den Kohlenstoffverbundwerkstoffen verwendet (z. B. Aramidfasern), um die Eigenschaften weiter zu verbessern.
Bearbeitung
Die Bearbeitung von Kohlenstofffaserblöcken umfasst übliche Verfahren wie Drehen, Fräsen und Bohren. Die Werkzeuge, die für die Bearbeitung von Kohlenstofffasern verwendet werden, bestehen aus Keramik, Hartmetall, polykristallinem Diamant und kubischem Bornitrid. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoff speichert das Material Wärme und gibt sie nur langsam an das Werkzeug ab. Zu hohe Temperaturen können jedoch das Harz der Matrix beeinträchtigen und somit die Eigenschaften des Materials verschlechtern. Die Bearbeitung von Kohlenstofffasern erfordert daher längere Bearbeitungszeiten, zumal das Material in der Regel keine Kühlflüssigkeit verträgt. Nach Abschluss der Bearbeitung sind verschiedene Nachbearbeitungsprozesse möglich, wie Entgraten, Polieren, Auftragen von mattem oder glänzendem Lack usw.
Eigenschaften der Kohlenstofffasern
Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffform sind leicht, sehr beständig gegen Zug- und Druckbelastungen und flexibel. Sie verfügen über eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Rissausbreitung (Zähigkeit) sowie eine ausgezeichnete Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus haben Kohlenstofffasern einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der Elastizitätsmodul der Kohlenstofffasern variiert je nach Gewebemuster und Matrixzusammensetzung, bleibt jedoch stets hoch. Daher sind Kohlenstoffkomponenten gut gegen Verformung resistent, können jedoch bei zu hoher Belastung (Verformung oder Stoß) brechen.
Anwendungen in der Uhrmacherei
Kohlenstofffasern werden bei der Herstellung aller Gehäusekomponenten (Gehäuse, Armbänder, Zifferblätter) geschätzt. Gelegentlich können sie auch für die Herstellung von Platinen und Brücken verwendet werden, wobei in diesem Fall jedoch oft der geschmiedete Kohlenstoff bevorzugt wird.