Pultrudiertes Kohlenstofffaserröhre im Vergleich zu Stahl: Was ich Käufern vor ihrer Bestellung sage

Ich arbeite seit 1989 mit Verbundwerkstoffen. Zunächst per Handlaminierung, dann ab Mitte der 1990er-Jahre mittels Pultrusion – und ich habe mehr Produktionslinien gezogen, als ich mir merken möchte. Jede Woche ruft jemand an und stellt dieselbe Frage: Kann eine pultrudierter Kohlenstofffaser rohr die Stahlrohre in ihrem Aufbau ersetzen?

Manchmal lautet die Antwort ‚Ja‘ – und zwar eindeutig. Manchmal überzeuge ich den Kunden davon ab, und ich verliere den Auftrag. Das ist in Ordnung. Eine Rohrkomponente, die im Einsatz versagt, kostet uns beide mehr, als eine Rohrkomponente, die ich niemals verkauft habe.

Die Dichte ist das entscheidende Argument

Die Dichte von CFRP im Vergleich zu Stahl ist die erste Zahl, die ich nenne. Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) liegt bei 1,55 bis 1,60 g/cm³. Weichstahl beträgt 7,85. Aluminium liegt bei 2,70. Tauscht man bei identischen Abmessungen eines gegen das andere aus, reduziert sich das Gewicht um rund 80 Prozent.

Aber so kauft tatsächlich niemand. Sie gestalten neu um das Material herum, und wenn Sie das tun, liegt die ehrliche Einsparung bei gleicher Biegesteifigkeit zwischen 55 und 70 Prozent. Immer noch enorm. Bei einem zwei Meter langen Mast macht das den Unterschied aus zwischen einer Person, die ihn trägt, und zwei Personen, die fluchen.

Diese Lücke ist der Grund dafür, dass der pultrudiertes Kohlefaserrohr  immer dann zuerst ins Spiel kommt, wenn ein Käufer eine strenge Gewichtsobergrenze hat und im Konstruktionsprozess keinen Spielraum mehr bleibt.

Hier kommt der Teil, den die meisten Zulieferer überspringen. Stahl weist einen Elastizitätsmodul von 200 bis 210 GPa auf. Standardmodul-pultrudierte CFRP-Rohre liegen je nach Faservolumenanteil in axialer Richtung bei 130 bis 165 GPa. Pro Kilogramm liegt Kohlenstofffaser um den Faktor acht vorn. Pro Querschnittseinheit ist Stahl steifer. Wenn Ihre Aufgabe raumbegrenzt und nicht gewichtsbegrenzt ist, ist Stahl die bessere Wahl – und das sage ich Ihnen auch telefonisch.

Festigkeitswerte, die etwas bedeuten

Bei der Festigkeit von Kohlenstofffaserrohren wird die Vermarktung lächerlich. Verkaufsunterlagen nennen 3.500 MPa, weil dies die Zugfestigkeit der einzelnen Fadenfilamente ist – nicht die des Verbundwerkstoffs. Ignorieren Sie diese Angaben.

Ein echtes unidirektionales Kohlenstofffaserverstärkungsprofil mit einer Faservolumenanteil von 55 bis 65 Prozent liefert Ihnen eine axiale Zugfestigkeit von 1.500 bis 2.400 MPa bei Verwendung von T700-Rovings. Q235-Stahl erreicht etwa 370 bis 500 MPa. Teilen Sie diesen Wert durch die Dichte, und die spezifische Festigkeitsdifferenz liegt bei rund dem 15- bis 20-Fachen. Dies ist die entscheidende Kenngröße für das Konstruktionsdesign.

Die Querzugfestigkeit ist dagegen ein anderes Thema – und sie wird von niemandem angegeben. Vielleicht 30 bis 60 MPa, da hier nicht die Faser, sondern ausschließlich die Harzmatrix die Last trägt. Die interlaminare Scherfestigkeit liegt bei 40 bis 70 MPa. Genau hier entstehen die Versagensursachen. pultrudiertes Kohlefaserrohr ein im Einsatz befindliches Bauteil versagt fast niemals infolge axialer Zugbeanspruchung. Es versagt vielmehr, weil etwas es seitlich zusammendrückt.

Was Pultrusion Ihnen bietet – und was sie Ihnen nimmt

Bei der Pultrusion werden kontinuierliche Rovings durch ein Harzbad gezogen und anschließend in einen beheizten Formwerkzeugkanal geleitet. Alle Fasern verlaufen dabei exakt in Längsrichtung (0 Grad). Dadurch erzielen Sie den höchsten Faservolumenanteil, der bei einem Standardverfahren verfügbar ist, sowie eine axiale Steifigkeit, die selbst bei vergleichbarem Preis von einer rollgewickelten Röhre nicht erreicht werden kann.

Was Sie nicht erhalten, ist die Ringzugfestigkeit. Üblicherweise gibt es eine Oberflächen-Veilage, manchmal eine leichte Steppmatte in dickeren Abschnitten – und das war’s dann auch schon. Eine rollgewickelte Röhre weist ±45-Grad-Schichten auf. Pultrudierte Kohlenstofffaser-Röhre im Grunde gar nicht. Sie verträgt daher weder Torsion noch konzentrierte radiale Lasten.

Im Jahr 2019 sah ich, wie bei einem Kunden eine 14-mm-Mast-Röhre über ihre gesamte Länge hinweg brach – verursacht durch eine Schlauchklemme, die mit einem Akku-Bohrschrauber angezogen worden war. Die Klemme rutschte nicht. Die Röhre versagte zuerst in Ringzugfestigkeit, bei etwa einem Drittel der Last, die sie bei reiner Biebung hätte tragen können.

Dieses Geräusch bleibt einem im Gedächtnis haften.

Die richtige Größe wählen – ohne sich lächerlich zu machen

Bei der Dimensionierung beobachte ich die teuersten Fehler. Jede pultrudierte Kohlenstofffaser-Röhre wird nach Außendurchmesser (OD), Innendurchmesser (ID) und Länge verkauft; Käufer konzentrieren sich meist auf die ersten beiden Parameter, doch entscheidend dafür, ob das Teil überhaupt funktioniert, ist der dritte: die Länge.

A6-mm-Kohlenstofffaser-Röhre ist das kleinste Rohr im Sortiment. Typischerweise 6 mm Außendurchmesser, 1 mm Wandstärke. Drohnenarme bei leichten Quadrocoptern, Zeltstangen-Spitzen, RC-Schubstangen, Aktuatorverbindungen. Bei 1 mm Wandstärke ist der Verbund so dünn, dass ein unvorsichtiger Bohrer die Austrittsseite entlaminiert – und das lässt sich nicht mehr reparieren. Stützen Sie die Bohrstelle von innen mit einem Stopfen ab oder akzeptieren Sie das Ausfransen.

Das 14-mm-Kohlefaserrohr ist das am häufigsten angegebene Maß. 14 × 12 mm oder 14 × 10 mm, manchmal auch als Teleskop-Sätze. Kameraglider, Baumschnittstangen, Vermessungsstäbe, Drachen-Spanten, Antennenmasten. Bei diesem Durchmesser ist die Wandstärke die entscheidende Wahl – und die meisten Menschen wählen sie zu gering. 1 mm Wandstärke bei einem 14-mm-Rohr ergibt unter Biegebelastung nichts anderes als einen Trinkhalm.

Ein 2000 mm langes Kohlenstofffaserröhre verändert die gesamte Diskussion grundlegend. Bei zwei Metern übernimmt die Geometrie die Kontrolle von dem Material. Eine 14 mm-Röhre, belastet am Ende, unterliegt Knicken – nicht der Festigkeit. Die Euler-Formel liefert P_kritisch = π²EI / (KL)². Verdoppeln Sie die Länge, und die kritische Last sinkt um den Faktor vier. Ich hatte Käufer, die 2000 mm einer 6 mm-Röhre für eine Spitzenlast von 5 kg spezifizierten. Die Mathematik sagte „nein“, noch bevor ich den Hörer abhob. Sie hätte sich wie eine Nudel verbogen und dann zusammengeklappt.

Für Teleskopanwendungen fragen Sie schriftlich nach Ovalität und Geradheit. Ein Millimeter pro Meter ist normal. Eine Außendurchmessertoleranz von ±0,1 bis 0,2 mm ist erreichbar; preisgünstige Lieferanten erreichen sie jedoch nicht – genau deshalb verklemmen sich Ihre Abschnitte bei der Montage vor Ort bereits zur Hälfte.

Wann 4 Zoll richtig ist – und wann es dumm ist

A4-Zoll-Kohlenstofffaserröhre hat einen Außendurchmesser von 101,6 mm. Das ist Struktur – kein Hardware-Element. Sie benötigen mindestens 4 bis 6 mm Wandstärke, andernfalls tritt lokales Knicken lange vor Erreichen der Werkstoffgrenzen auf.

Die Werkzeugkosten für diese Größe sind hoch. Große Werkzeuge, schwere Zugvorrichtungen – und die Exothermie in einem dickwandigen Querschnitt stellt ein eigenes Problem dar. Das Harz in der Mitte einer 6-mm-Wand kann so stark exotherm reagieren, dass es das Laminat von innen nach außen aufbricht. Von außen ist das niemals sichtbar.

Wir schneiden jeden dickwandigen Lauf quer durch und prüfen ihn. Bei einer Bestellung im Jahr 2021 habe ich dies verlangt, nachdem mir die Oberflächenqualität zu gut erschien – und fand bei drei von zehn Proben Risse im Kernbereich. Die gesamte Charge wurde abgelehnt. Der Lieferant argumentierte eine Woche lang dagegen.

Bei 4 Zoll sollten Sie sich fragen, ob Sie überall Kohlenstofffasern benötigen. Ein hybrider Aufbau – Kohlenstoff außen für Steifigkeit, Glas innen für Kostenersparnis und Schlagzähigkeit – erzielt oft 80 Prozent der Leistung bei der Hälfte des Preises. Das sage ich ständig. Es schmälert meinen Gewinn – und trotzdem sage ich es immer wieder.

Wie Einkäufer ihre eigenen Rohre ruinieren

Klemmen sind die Nummer-eins-Todesursache. Klemmen Sie niemals direkt auf eine pultrudierte Oberfläche. Verkleben Sie eine Aluminiumferrule, setzen Sie einen Inneneinsatz ein oder verwenden Sie einen geteilten Block mit einer Gummilinierung. Das Rohr interessiert sich nicht für Ihr Klemmdrehmoment.

Dann gibt es noch die galvanische Korrosion. Kohlenstofffasern leiten elektrisch und sind edler als Aluminium oder Stahl. Schrauben Sie eine pultrudiertes Kohlefaserrohr  an eine Aluminiumhalterung in einer feuchten Umgebung – und die Halterung löst sich auf. Ich habe Masten gesehen, die nach achtzehn Monaten im Offshore-Einsatz zurückkamen, wobei die Beschlagteile zu grauer Paste zerfallen waren. Isolieren Sie mittels einer Glasvlies-Schicht oder verwenden Sie Edelstahl mit geeignetem Dichtmittel – und akzeptieren Sie das erforderliche Wartungsintervall.

Das Schneiden ist der dritte Punkt. Schneiden Sie nass, führen Sie den Staub ab und tragen Sie echten Atemschutz. Kohlenstoffstaub leitet elektrisch und verbreitet sich. In einem Betrieb, den ich 2017 besuchte, wurde ein CNC-Steuergerät zerstört, weil dort Rohre auf derselben Werkbank geschlitzt wurden, auf der auch Elektronik montiert wurde. Der Staub setzte sich im Schaltschrank ab und verursachte einen Kurzschluss auf der Leiterplatte. Schneiden Sie Kohlenstoff niemals in der Nähe Ihres Montagebereichs.

Dann Erwärmung. Standard-Epoxidharz-Systeme in der Pultrusionsverfahren weisen eine Glasübergangstemperatur (Tg) zwischen 80 und 120 °C auf. Ein schwarzes Rohr, das in Xinjiang direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, erreicht diese Temperatur bereits, bevor es überhaupt belastet wird. Die Steifigkeit nimmt ab, je näher man der Tg kommt. Das ist keine Gewährleistungsanspruch, sondern Physik.

Kostenübersicht, ungefähr

Käufer verlangen stets zunächst eine Zahl, bevor sie mir die Anwendung nennen. Daher hier die Spanne – sie schwankt mit den Preisen für Rovings, die seit 2022 volatil sind.

Ein 6-mm-Rohr aus Roving der T300-Klasse kostet bei Großbestellmengen etwa 3 bis 6 Dollar pro Meter. Bei 14-mm-Abmessungen liegen die Preise bei 8 bis 15 Dollar. Beim Wechsel auf T700 steigen die Kosten um 30 bis 40 Prozent – allein aufgrund des höheren Roving-Preises, nicht wegen irgendwelcher Aufschläge. Ein 4-Zoll-Rohr mit 5-mm-Wandstärke kostet 120 bis 200 Dollar pro Meter; dabei zahlt man ebenso für die Werkzeuglaufzeit wie für das Material.

Nahtloses Stahlrohr mit vergleichbarem Außendurchmesser kostet 2 bis 4 Dollar pro Meter. Dieses Verhältnis überrascht Menschen, die lediglich die Dichtetabelle lesen. pultrudiertes Kohlefaserrohr beträgt das Fünf- bis Dreißigfache der Materialkosten, und Sie kaufen es, weil die Gewichtseinsparung sich im weiteren Verlauf amortisiert – beim Frachttransport, bei der Installationsarbeit, beim Motor, den Sie nicht mehr benötigen, oder bei der Nutzlast, die Sie nun zusätzlich befördern können.

Wenn keiner dieser Punkte zutrifft, kaufen Sie Stahl. Das meine ich ernst.

Was Sie vor dem Versand der Bestellung fragen sollten

Fragen Sie nach der Roving-Qualität: T300, T700 oder etwas Unbeschriftetes aus dem Lager eines Maklers. Fragen Sie nach dem Faservolumenanteil – und falls sie ihn nicht nennen können, haben sie ihn nie gemessen. Fragen Sie nach dem Harzsystem: Epoxidharz oder Vinyl-Ester-Harz – und nach der Glasübergangstemperatur (Tg). Fordern Sie die Geradheits-Toleranz schriftlich an.

Fordern Sie eine Probe in voller Länge an, keine 200-mm-Ausschuss-Stücke. Ausschuss-Stücke verbergen Durchbiegung, Verdrillung und Strangpress-Linien, die erst über zwei Meter sichtbar werden. Fragen Sie, ob sie nach ASTM D3916 oder ISO 527 prüfen – oder ob sie lediglich einmal monatlich eine Probe ziehen und hoffen.

Ahersteller von pultrudierten Carbon-Faser-Rohren ein Hersteller, der Ihnen die Filamentanzahl (Tow-Größe) des verwendeten Rovings in seiner eigenen Strangpresse nicht nennen kann, rät nur – und Sie tragen die Kosten, wenn die Schätzung falsch ist.

Vereinbaren Sie auch Werkzeugkosten und Mindestbestellmengen (MOQ) vorab. Standardgrößen werden innerhalb weniger Tage versandfertig sein. Ein kundenspezifisches Profil mit 4 Zoll Durchmesser und einer Wandstärke von 5 mm erfordert eine neue Matrize, drei bis fünf Wochen Lieferzeit sowie eine Werkzeuggebühr. Niemandem gefällt diese Nachricht – aber sie ist besser als eine unerwartete Rechnungsposition.

Stahl ist nicht tot

Ich verwende Stahl. Er ist preiswert, robust, widerstandsfähig gegen mechanische Belastung, UV-Strahlung schadet ihm nicht, und Sie können ihn sogar vor Ort mit einem Generator und einer Winkelschleife verschweißen.

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist die Lösung, wenn Gewicht das Problem ist, das sich auf keine andere Weise lösen lässt. Ein pultrudiertes Kohlefaserrohr kann etwas, was kein Metall kann: Er trägt erhebliche Lasten bei nur einem Fünftel der Masse. Achten Sie darauf, seine Schwächen zu respektieren – dann überdauert er den Stahl, den Sie ersetzt haben.

Überschreiten Sie diese Grenzen, und Sie rufen mich in achtzehn Monaten an, um zu fragen, warum das Bauteil gebrochen ist.