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Der Traum von einem schwarzen Flugzeug, das durch die Luft fliegt

Leichter als Aluminium und stärker als Stahl ist der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff (CFK) ein revolutionärer Werkstoff, der die erforderlichen Bearbeitungsverfahren verändert hat. Es fand Anwendung in wichtigen Konstruktionsteilen für mittelgroße zivile Passagierflugzeuge. In den frühen 1960er Jahren begann man in Japan an Kohlenstofffasern zu forschen. Wir sprachen mit Shunsaku Noda, Geschäftsführer, und Hiroshi Taiko, stellvertretender Geschäftsführer der Aerospace Technology Section, ACM-Technologie-Abteilung, TORAY, über die fünfzigjährige Geschichte von Kohlenstofffasern und die Entwicklung von CFK.

NAHAUFNAHME

Was ist CFK?

CFK ist ein Verbundstoff aus Kohlenstofffasern und Epoxidharz. Verbundwerkstoffe enthalten verschiedene Bestandteile, so dass zusätzliche Werkstoffeigenschaften entstehen, die mit einem einzigen Bestandteil nicht erzielt werden können. TORAYCA® Prepreg wird für Flugzeugteile eingesetzt. Es wird hergestellt, indem 24.000 Kohlenstofffasern mit einer Dicke von 5 µm  zu einer Matte geformt und mit einem warmaushärtenden Epoxidharz getränkt werden. Durch unterschiedliche Lagen und Aushärten der in Form gebrachten Matte erhält diese sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine gute Elastizität.

 Je nach Volumen und Gestaltung der Kohlenstofffasern (Richtung der Fasern, Struktur der Prepreg-Schichten), ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften. Daher ist es möglich, den optimalen Werkstoff für die unterschiedlichsten Anwendungen herzustellen. 

CFK-Merkmale
•　Es ist leicht und hat ein spezifisches Gewicht von 1,7 g/cm3 – was gerade einmal einem Viertel von Stahl entspricht.
•　Die Zugfestigkeit von CFK liegt bei hohen 7 kN/mm2.
•　Die Zugelastizität von hochleistungsfähigem CFK liegt bei 630 kN/mm2.
•　CFK verfügt auch über hervorragende Formbeständigkeit, Schwingungsdämpfung, hohe Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsfestigkeit sowie hohe Ermüdungsfestigkeit und ist nicht magnetisch.

Herstellungsverfahren für Kohlenstofffasern
Die Herstellung von PAN-(Polyacrylnitril-)basierten Kohlenstofffasern umfasst vier Verfahren:
1) Polyacrylnitrilkunststoff wird behandelt und durch eine Spinnmaschine gepumpt, wo es zu Fasern verarbeitet wird.
2) Die Fasern werden wärmebehandelt, um ihre Flammfestigkeit zu verbessern (Oxidation).
3) Die Fasern werden zwecks Karbonisierung erneut erhitzt.
4) Zum Abschluss des Verfahrens wird die Oberfläche behandelt.

Teil 1　1950～

Aufkommen von Kohlenstofffasern und Forschung und Entwicklung

Wenn wir zu den Wurzeln der Kohlenstofffasern zurückgehen, kommen wir zur Glühlampe, die Ende des 19. Jahrhunderts von Thomas Edison und Joseph Swan erfunden wurde. Der Glühfaden, der für diese Glühlampe verwendet wurde, war eine karbonisierte Bambusfaser. Diese war die erste Kohlenstofffaser der Welt. Nachdem Wolfram als Material für den Glühfaden beliebt wurde, gerieten Kohlenstofffasern nach und nach in Vergessenheit. In den 1950er Jahren gewann die Kohlenstofffaser erneut an Aufmerksamkeit, als die Vereinigten Staaten ihre Forschung und Entwicklung für Einspritzdüsen für Raketen vorantrieben, da diese Motoren eine hohe Hitzebeständigkeit erfordern.

In der Zwischenzeit erfand Dr. Akio Shindo am Institut für Maschinenbautechnologie in Osaka 1959 ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern durch Karbonisierung von Polyacrylnitril (PAN). Seitdem wurde die Forschung und Entwicklung sowie die Vermarktung von Kohlenstofffasern beschleunigt. Kohlenstofffasern verfügen über eine hervorragende Festigkeit, wodurch sie zu einem idealen Hochfunktionsbestandteil für Verbundwerkstoffe werden. 1967 kündigte Rolls-Royce, einer der Hersteller an der Weltspitze für Luft- und Raumfahrtmotoren, die Anwendung von CFK bei Düsenflugzeugmotoren an. Fast gleichzeitig begann TORAY mit der groß angelegten Entwicklung von Kohlenstofffasern unter Einsatz einer Acrylfaser: TORAYLONTM. 

1970 erwarb TORAY eine Patentlizenz von Dr. Shindo. Die Unternehmen führen ihre Geschäfte auf der Prognose zukünftiger Marktgängigkeit und Umsatzpotenziale ihrer eigenen Produkte. TORAY glaubte fest an das Potenzial von CFK und gab der Einrichtung eines Herstellungssystems mit einer hohen Investition, die heute ein unglaublicher Betrag wäre, den Vorzug.

Teil 2　1971～

Herstellung von Kohlenstofffasern noch ehe man das Potenzial voll ermessen konnte

Im darauffolgenden Jahr, 1971, begann TORAY mit der Herstellung und dem Vertrieb von TORAYCA®300, einer PAN-basierten hochfesten Kohlenstofffaser. Obwohl Kohlenstofffasern als ein Werkstoff der neuen Generation große Aufmerksamkeit erhielten, waren die wichtigsten Einsatzbereiche noch klar. TORAY beschloss jedoch, ein neues Werk mit einer Produktionskapazität von 12 Tonnen zu bauen. Es war zu jener Zeit das größte Werk der Welt. Diese mutige Entscheidung beruht auf der Überzeugung der TORAY-Mitarbeiter, dass hochfeste Werkstoffe eines Tages stark nachgefragt werden würden. Außerdem hatte die Geschäftsführung den Traum von einem schwarzen Flugzeug, das durch die Luft fliegt, einem Flugzeug aus CFK, das aus den schwarzen Kohlenstofffasern hergestellt wird. Ungefähr zu dieser Zeit hatte Rolls-Royce mit großen Schwierigkeiten bei der Entwicklung eines Düsenflugzeugmotors, für das CFK verwendet wurde, zu kämpfen.

Mittlerweile war das erste aus Kohlenstofffasern hergestellte und vermarktete Produkt von TORAY eine Angelrute für Süßwasserfische, die im Jahr 1972 auf den Markt kam. Das Gewicht der Angelruten betrug nur rund die Hälfte der bis dahin vorhandenen Ruten; obwohl sie relativ teuer waren, genoss ihre Leistungsfähigkeit auf dem Markt einen guten Ruf. Im selben Jahr setzte der Golfprofi Gay Brewer Jr. Schläger mit schwarzem Schaft aus CFK ein und gewann das Taiheiyo-Masters-Turnier. Die Anerkennung des Golfschlägers mit dem schwarzen Schaft verbreitete sich schnell, und Golfspieler stürzten sich darauf. Danach wurde CFK auch für die Herstellung von Tennisschlägern verwendet, wodurch sich die Beliebtheit des Werkstoffs weiter steigerte. CFK fand jedoch hauptsächlich im Bereich Unterhaltung und Sport Anwendung. Unter Berücksichtigung des industriellen Potenzials von CFK war sein Vertrieb bestenfalls gering.

Der Wendepunkt kam 1975. Die Ölkrise 1973 hatte die Flugzeughersteller gezwungen, sich auf die Senkung des Flugwerkgewichts zu konzentrieren, um einen geringen Treibstoffverbrauch zu erreichen. Hier wandten sie ihre Aufmerksamkeit dem CFK als sekundärem Konstruktionsmaterial zu, also für Teile, die keinen direkten Einfluss auf die Flugsicherheit hatten. Damals sah TORAY seinen Traum verwirklicht, dass CFK bei der Herstellung von Flugzeugen eingesetzt wird. Mit dem Einsatz von CFK für Flugzeugteile durch Boeing und Airbus lag die Gesamtproduktion der TORAYCA®-Kohlenstofffaser im Jahr 1988 bei über 10 000 Tonnen. Viele Hersteller in Überseeländern wie England und den Vereinigten Staaten beschlossen, sich aufgrund der geringen Rentabilität aus dem CFK-Geschäft zurückzuziehen; japanische Unternehmen jedoch, darunter TORAY, die ihre Technologie mit einer langfristigen Perspektive geplant hatten, arbeiteten weiter an der Entwicklung und Herstellung von CFK und verwendeten hierfür hochleistungsfähige Kohlenstofffasern. 2010 schließlich hatten japanische Kohlenstofffaserhersteller einen globalen Anteil von rund 70 %.

Teil 3　1990～

Erweiterung der Anwendungsbereiche von CFK als Konstruktionsmaterial für Flugzeuge

1990 wurde TORAYCA® Prepreg (plattenartiges CFK) von Boeing als primäres Konstruktionsmaterial für Strukturteile (wichtige Teile, die direkten Einfluss auf die Sicherheit haben) spezifiziert, was CFK zur Zulassung als hochzuverlässigem Hochfunktionsmaterial verhalf. 

Die Zugfestigkeit von CFK ist zehnmal höher als die von Stahl, während sein Gewicht gerade ein Viertel beträgt. CFK kann außerdem eine Vielzahl von Formen annehmen. In dem im Jahr 2003 initiierten Projekt Boeing 787 machte CFK rund 50 % des Gesamtgewichts des Flugzeugs aus, einschließlich Flugzeugzelle und Tragflächen. 2006 schlossen TORAY und Boeing einen langfristigen Vertrag über die Lieferung von CFK ab, in dem die Bereitstellung von primärem Konstruktionsmaterial durch TORAY spezifiziert war.

Teil 4　2010～

Industrieller Einsatz erhöht die CFK-Nachfrage

Zu Beginn des Jahres 2010 wuchs die weltweite Nachfrage nach CFK rasant an. CFK kommt nun zu einer Vielzahl von Zwecken zum Einsatz. Zusätzlich zu Sport- und Flugzeugprodukten gehören die Rotorblätter von Windenergieanlagen, Dächer und Hauben, Autoteile wie Antriebswellen, Tanks für Erdgas und Brennstoffzellenfahrzeuge, Robotergabeln für den Transport von Flüssigkristall-Leiterplatten, Zugwaggons, Computergehäuse und vieles mehr zu den Einsatzgebieten von CFK.

Das Geschäft mit Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen ist Teil von TORAYs grundlegender Expansionsstrategie. TORAY hat Managementressourcen in diese neuen Wachstumsbereiche, z.B. Automobil- und Luftfahrtindustrie, und in die neuen Energien investiert, um die Nachfrage zu erweitern. Für 2020 plant TORAY, die Investition auf Nordamerika auszuweiten, um mit dem Unternehmen auch dort zu expandieren.

Die Festigkeit der Kohlenstofffaser liegt zu diesem Zeitpunkt immer noch bei einem Zehntel ihres theoretischen Werts. Es bleibt also noch ausreichend Raum für weitere Verbesserungen. Die Kosten für die Kohlenstofffaser bleibt ein Hindernis für die Beliebtheit auf dem Markt. Mit der Ausweitung von Anwendungen auf die Autoteileindustrie kann jedoch die Massenproduktion zu einer erheblichen Preissenkung und schnell zu einer erhöhten Nachfrage in naher Zukunft führen.

Es ist fast ein halbes Jahrhundert vergangen, seit Toray weltweit mit der ersten kommerziellen Produktion von Kohlenstofffasern startete. Es bedurfte beständiger Bemühungen über einen langen Zeitraum, um stabile Märkte zu finden. Was hat sie motiviert? Es war Torays Unternehmensphilosophie, langfristige Kontinuität, unterstützt von dem starken Wunsch der Geschäftsführung, ein Flugzeug aus CFK in der Luft zu sehen. CFK wird auch in Zukunft als fortschrittlichster und hochfunktionaler Werkstoff, der den globalen Industrien zur Verfügung steht, weiter verbessert werden.

Rückblick auf die Geschichte von CFK

Noda: Wir sind sehr glücklich, wenn die von uns entwickelten Produkte die Welt zum Besseren verändern, beispielsweise in Form eines niedrigen Treibstoffverbrauchs in der Luftfahrt. CFK von TORAY ist zu einem strategisch expandierenden Unternehmen geworden. Unsere Aufgabe besteht darin, CFK zu einem der Eckpfeiler des Unternehmens TORAY zu machen. Im Vergleich zu dem, was wir über Metallwerkstoffe wissen, bleiben die Typen, Mengen und Anwendungen von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen unbekannt. Wir sind jedoch der Ansicht, dass sich uns mit CFK unbegrenzte Möglichkeiten erschließen, und wir werden diese Möglichkeiten weiter erforschen, um die Welt zu verbessern.

Taiko: Meine Liebe zur Luftfahrt aus meinen Jugendjahren hat mich zu einer Karriere im Bereich Luftfahrt und Raketen geführt. Als Mensch, der sich in der Forschung und Entwicklung engagiert, habe ich den Traum, eines Tages ein Flugzeug zu betreten, das aus Werkstoffen hergestellt ist, die ich entwickelt habe. Das für die Herstellung der Boeing 787 verwendete CFK wurde von einem früheren F&E-Team entwickelt. Ich war nur indirekt daran beteiligt. Ich hoffe, dass sich mein Traum in den nächsten zehn Jahren erfüllt.