F1 und Innovationen im Bereich Carbon

Für Formel-1-Fans ist McLaren ein unverzichtbarer Maßstab, seit Jahrzehnten eine Säule der Meisterschaft. Viele erinnern sich an die Schwierigkeiten, mit denen das Team 2015 nach der Wiederaufnahme der Zusammenarbeit mit seinem langjährigen Partner Honda zu kämpfen hatte, aber nur wenige wissen, dass McLaren diesen Sport Anfang der 1980er Jahre revolutioniert hat.

Am Sonntag, dem 12. April 1981, fuhr Nelson Piquet auf der Rennstrecke von Buenos Aires den Sieg ein, der ihm schließlich den Meistertitel einbrachte, aber es gab noch ein weiteres, weniger beachtetes Ereignis: Der Marlboro-McLaren MP4/1 feierte sein Renndebüt als erster Monocoque aus Kohlefaser.

Die Saison 1981 begann mit einer Kontroverse. Die FISA lehnte die Zulassung des Lotus 88 mit seinem innovativen Doppelchassis-Konzept ab, während der Brabham BT49C mit einer hydropneumatischen Federung für Aufsehen sorgte, die die Mindesthöhenregel von 6 cm umging, den Bodeneffekt maximal ausnutzte und das Auto auf der Strecke kleben ließ. Zu dieser Zeit wurde das Brabham-Team von Bernie Ecclestone geleitet. Die Carbonfaser-Lösung von McLaren wurde schnell von allen Teams der Formel 1 kopiert. Um zu verstehen, warum, muss man sich nur die Entwicklung der Chassis ansehen. Die ersten Autos basierten auf Stahlchassis vom Typ Leiterrahmen, die bei heutigen Straßenfahrzeugen lächerlich wären. Mitte der 1950er Jahre stellten die Hersteller auf geschweißte Stahlrohrrahmen um, dann wurden Aluminiumlegierungen nach und nach zum Standard. Anfangs handelte es sich dabei um einfache Aluminiumbleche, die mit dem Fahrgestell verschraubt wurden, doch Anfang der 1980er Jahre wurden sie durch Sandwichplatten ersetzt: ein Wabenkern, der zwischen zwei dünnen Aluminiumschichten eingelegt war. Diese Platten waren leicht und steif, aber flach, schwer zu biegen und nicht schweißbar. Daher wurden sie in der Regel mit Aluminiumhalterungen verklebt und vernietet. Als McLaren im April 1981 Carbonfaserverkleidungen einführte, ermöglichte die Flexibilität dieses Materials, das gesamte Chassis zu einer einzigen, echten Monocoque-Struktur zu formen. Ein Verbundwerkstoff besteht aus zwei Teilen: einer Verstärkungsfaser und einer Matrix, die die Fasern miteinander verbindet und die Lasten verteilt. Die bekanntesten Fasern sind Glas, Aramid (Kevlar) und Kohlenstoff; es gibt jedoch auch andere, wie Zylon, Basalt, Keramik oder sogar Pflanzenfasern, obwohl letztere im Motorsport noch keinen Einzug in die Verbundwerkstoffe gehalten haben. Die Kohlefaser selbst wird aus PAN (Polyacrylnitril) gewonnen, einem Polymer, das in der Textilbranche auch unter dem Namen Dralon bekannt ist. Der Prozess umfasst drei Schritte: Oxidation bei etwa 250 °C, Karbonisierung in einer sauerstofffreien Atmosphäre bei 1.000-1.500 °C und schließlich Graphitierung bei über 2.000 °C. Durch Anpassung der Temperatur und der Verweildauer können die Hersteller die Steifigkeit und Zugfestigkeit der Faser beeinflussen. Die erhaltenen Filamente werden zu Strängen mit 1.000, 3.000 oder 12.000 Filamenten zusammengefasst, die dann gewebt oder in Schichten angeordnet werden, um Gewebe zu bilden.

Die Matrix besteht meist aus einem Kunstharz (Polyester, Epoxid, Phenol oder Acryl), obwohl auch Metallmatrizen (z. B. mit Borfasern verstärktes Aluminium) und Keramikmatrizen getestet wurden, wobei letztere inzwischen in der Formel 1 verboten sind. Verbundwerkstoffe mit Kohlenstoffmatrix werden nach wie vor für Bremsscheiben und -beläge verwendet. Die Harze sind in der Regel Zweikomponentensysteme, die beim Mischen unter Einwirkung von Wärme oder ultravioletter Strahlung aushärten. In der Formel 1 ist Epoxidharz das am häufigsten verwendete Material, da es eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit aufweist; Phenolharz wird nur für Bauteile verwendet, die Temperaturen von über 150 °C standhalten müssen. Kohlenstoff-Epoxid-Verbundwerkstoffe werden durch „Kontaktguss” hergestellt: Mit flüssigem Harz imprägnierte Kohlenstoffgewebeschichten werden in eine vorbehandelte Form gelegt und dann ausgehärtet – entweder bei Raumtemperatur über einen Tag oder in einem Ofen in weniger als einer Stunde. Diese einfache Methode erfordert nur minimale Ausrüstung und kann in einer kleinen Werkstatt durchgeführt werden. Es gibt auch eine Technik namens „Vakuumformung”. Das Grundprinzip ähnelt dem des Kontaktformens, aber nach dem Einlegen der letzten Gewebeschicht werden eine Trennfolie und ein Drainagevlies hinzugefügt und das Ganze in einem Plastikbeutel versiegelt, aus dem mit Hilfe einer Pumpe die Luft abgesaugt wird. Das Vakuum im Inneren des Beutels erzeugt in Verbindung mit dem atmosphärischen Druck einen gleichmäßigen Druck auf das gesamte Teil, wodurch die Kohlenstoffschichten besser verdichtet werden und weniger Harz benötigt wird, um einen Hochleistungsverbundwerkstoff zu erhalten. Die erforderliche Ausrüstung ist minimal, aber die Beherrschung des Prozesses ist anspruchsvoller als beim Kontaktformverfahren. Die Infusion funktioniert nach einem völlig anderen Prinzip. Trockene Gewebeschichten werden in der Form angeordnet, in denselben Beutel wie beim Beutelformen eingewickelt und die Luft im Inneren mit einer Pumpe abgesaugt. Das flüssige Harz befindet sich in einem Behälter, der über einen oder mehrere, durch Ventile gesteuerte Schläuche mit dem Beutel verbunden ist. Wenn die Ventile geöffnet werden, saugt das Vakuum das Harz in den Beutel, wo es das Gewebe imprägniert. Obwohl dieses Verfahren komplex und schwierig in der Umsetzung ist, wird es für große Bauteile wie Windradflügel bevorzugt.

Bei der „Prepreg”-Methode sind die Gewebe bereits mit einem hochviskosen Harz getränkt und werden gefroren gelagert. Nach dem Herausnehmen aus dem Gefrierschrank beginnt das Harz sehr langsam auszuhärten, wodurch das Material eine Konsistenz ähnlich einer dünnen Lederhaut erhält, die sich leicht schneiden lässt. Die Gewebeschichten werden dann in der erforderlichen Reihenfolge und Ausrichtung angeordnet, in denselben Beutel gelegt und in einem Autoklav ausgehärtet. Der hohe Druck im Autoklav gleicht die Viskosität des Harzes aus und gewährleistet eine ausreichende Verdichtung. Diese Technik wird in der Formel 1 und in der Luft- und Raumfahrt verwendet, da sie in hohem Maße reproduzierbar ist. Paradoxerweise erfordert sie die geringsten manuellen Fähigkeiten, ist aber dennoch die teuerste. Weniger verbreitete Verfahren sind das Filamentwickeln für Rohre oder Gasflaschen und das Spritzgießen.

Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe Wenn sowohl die Verstärkung als auch die Matrix aus Kohlenstoff bestehen, erhält man einen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff. In der Formel 1 wird dieses Material hauptsächlich für Bremsscheiben verwendet. Die Kohlenstofffasern werden dreidimensional gestrickt oder gewebt, um sich der endgültigen Form anzunähern, und dann mit Pech (einem Destillationsrückstand aus Erdöl, ähnlich wie Bitumen) imprägniert. Das Teil durchläuft die gleiche Reihe von Umwandlungen wie PAN-basierter Kohlenstoff, einschließlich einer Karbonisierung bei etwa 1250 °C in einer inerten Stickstoffatmosphäre. Nachdem die Oberflächenkruste entfernt wurde, wird der Imprägnierungs-Karbonisierungszyklus wiederholt, bis die gewünschte Homogenität erreicht ist. Das Bauteil wird anschließend mit flüssigem Silizium imprägniert, um seine Abriebfestigkeit zu erhöhen, und dann bei Temperaturen über 2.000 °C graphitiert. Nach dem Abkühlen wird es auf seine endgültigen Abmessungen bearbeitet. Das Sandwich-Konzept Wenn man von Verbundwerkstoffen spricht, kommt man unweigerlich auf das Sandwich-Prinzip zu sprechen: Ein leichter, nicht komprimierbarer Kern wird zwischen zwei Verbundwerkstoffschalen gelegt. In der Formel 1 ist der gängigste Kern die Nomex-Wabe (mit Phenolharz imprägniertes Papier), die seit den 1980er Jahren parallel zur Aluminiumwabe verwendet wird. Ein weniger bekannter Kern, der im Boden der Chevrolet Corvette verwendet wird, ist Balsaholz. Ja, Holz kann Teil einer Hightech-Konstruktion sein. Da die Steifigkeit mit dem Quadrat der Dicke zunimmt, führt eine Verdreifachung der Dicke zu einer 27-fachen Steigerung der Steifigkeit, wodurch das zusätzliche Gewicht des Kerns im Vergleich zum Gewinn an Steifigkeit vernachlässigbar ist.

Kohlefaser und ihre Vorteile Neben ihrer geringen Dichte bietet Kohlefaser eine ausgezeichnete Zug- und Druckfestigkeit sowie eine hohe Steifigkeit. Ein Teil aus Kohlefaser kann viermal steifer sein als ein Teil aus einer Aluminiumlegierung oder zehnmal steifer als ein Teil aus Stahl mit dem gleichen Gewicht. Das Verbunddesign ermöglicht es Ingenieuren, die Fasern direkt auf die Belastungen auszurichten, denen ein Teil ausgesetzt sein wird, indem sie den Fasertyp, das Gewebe und die Ausrichtung so wählen, dass die Leistung optimiert wird. Dieser maßgeschneiderte Ansatz vermeidet Materialverschwendung, im Gegensatz zu Metallen, die mit Ausnahme von Verfahren wie dem Schmieden in alle Richtungen die gleiche Festigkeit aufweisen. Entwicklungen Die Palette der in Verbundwerkstoffen verwendeten Matrizen und Verstärkungen hat sich im Laufe der Jahre kaum verändert, aber jüngste Fortschritte haben viele neue Anwendungsmöglichkeiten für diese Materialien eröffnet.

Ein Bereich, in dem Fortschritte erzielt wurden, ist die Produktion: Dank der Fortschritte im Bereich Rapid Prototyping und Werkzeugbau kann heute ein völlig neues Verbundbauteil einschließlich der Formen in nur drei Tagen hergestellt werden. Darüber hinaus ermöglicht eine Reihe von 3D-Drucktechnologien den Herstellern, direkt mit Graphitpulver oder langen Kohlenstofffasern zu arbeiten, ohne auf eine herkömmliche Form zurückgreifen zu müssen.

Gleichzeitig umfasst dieser Bereich Extreme, von Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer Größe von nur wenigen Mikrometern bis hin zu massiven Fasern mit breiten Flügeln, die die Motorhauben der heutigen Einsitzer zieren. Nehmen wir das Beispiel des Marlboro-McLaren MP4/1. Im Jahr 1981 waren alle Autos der Meisterschaft noch mit einer Karosserie auf ihrem Chassis ausgestattet. Der MP4/1, angetrieben von einem 3-Liter-Ford-Cosworth-V8-Motor, bildete da keine Ausnahme, aber seine revolutionäre Karbonfaser-Karosserie wurde um eine stempelartige männliche Form gegossen. Die nackte Karosserie, die auf dem Foto unten zu sehen ist, wies Oberflächenfehler auf, die sie zu diesem Zeitpunkt für die Karosserie ungeeignet machten. Es sollte noch mehrere Jahre dauern, bis die Karosserie auch als Außenverkleidung des Autos dienen konnte, nachdem Stoßdämpfer und andere Aufhängungsteile vollständig integriert worden waren. Die Geschichte besagt, dass John Watson sich am Samstag, dem 11. April 1981, auf Platz 11 qualifizierte, weit vor seinem Teamkollegen Andrea de Cesaris, der noch das alte Chassis verwendete. Am nächsten Tag schied Watson aufgrund starker Vibrationen in der Mitte des Rennens aus. Dennoch gewann er am 18. Juli desselben Jahres den Großen Preis von Großbritannien in Silverstone und markierte damit den Beginn der Dominanz von Kohlefaser in der Formel 1. Inhalt verfasst von Patrice Véronel, verbreitet durch FranceF1.