Wie wird Carbonfaser hergestellt? Der Prozess von PAN bis zum fertigen Teil
Eine klare, schrittweise Erklärung, wie Carbonfaser hergestellt wird — vom PAN-Vorprodukt über Oxidation, Karbonisierung und Oberflächenbehandlung bis zum Weben, Prepreg, Lagenaufbau und Aushärten zu einem fertigen CFK-Teil.
Ein Carbonteil beginnt sein Leben als weißer Kunststofffaden und endet als schwarzes, glänzendes, metallsteifes Bauteil. Die Verwandlung ist im Kern kontrolliertes Backen: Ein Kunststoff-Vorprodukt in präzisen Stufen erhitzen, bis nur noch Kohlenstoff übrig bleibt, dann diese Faser mit Harz verbinden und in Form aushärten. Hier ist der gesamte Prozess, Schritt für Schritt erklärt, vom Rohvorprodukt bis zum fertigen CFK-Teil.
Schritt 1: Das Vorprodukt (PAN)
Rund 90 % der Carbonfaser beginnt als PAN (Polyacrylnitril), ein zu einer feinen weißen Faser gesponnener Kunststoff; der Rest nutzt Pech oder Rayon. Die Qualität und Gleichmäßigkeit dieses Vorprodukts bestimmt maßgeblich die Qualität der fertigen Carbonfaser — es ist die Grundlage von allem Folgenden [1][2].
Schritt 2: Oxidation (Stabilisierung)
Die Vorproduktfasern werden an der Luft für eine kontrollierte Zeit auf etwa 200–300 °C erhitzt. Das „stabilisiert" die Molekularstruktur — die Ketten vernetzen sich, sodass sie im viel heißeren nächsten Schritt nicht schmelzen. Während dieser Stufe wechselt die Faser von Weiß zu Schwarz [3].
Schritt 3: Karbonisierung
Die stabilisierte Faser wandert in einen sauerstofffreien Ofen und wird auf etwa 1.000–1.500 °C erhitzt (hochmodulige Fasern gehen höher). Ohne Sauerstoff, der sie verbrennen ließe, treibt die intensive Hitze nahezu alle Nicht-Kohlenstoff-Atome (Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff) als Gas aus und lässt lange, eng gebundene Ketten aus nahezu reinem Kohlenstoff zurück. Hier gewinnt die Faser ihre Festigkeit und Steifigkeit [3].
Schritt 4: Oberflächenbehandlung & Schlichte
Frische Carbonfaser hat eine glatte, chemisch inerte Oberfläche, an der sich Harz nur schwer festhält. Eine leichte Oberflächenoxidation raut sie auf und aktiviert sie, dann wird eine „Schlichte"-Beschichtung aufgebracht, um die Faser zu schützen und ihr später die Bindung an die Harzmatrix zu erleichtern. Gute Haftung an dieser Stelle ist es, was den fertigen Verbund fest macht [4].
Der gesamte Prozess auf einen Blick
- 1. VorproduktPAN zu einer feinen weißen Kunststofffaser spinnen.
- 2. OxidationAn der Luft auf ~200–300 °C erhitzen zum Stabilisieren; Faser wird schwarz.
- 3. KarbonisierungAuf ~1.000–1.500 °C ohne Sauerstoff erhitzen; Nicht-Kohlenstoff-Atome entweichen.
- 4. Oberflächenbehandlung + SchlichteDie Oberfläche aktivieren und für die Harzbindung beschichten.
- 5. Weben / SpulenZu Tows bündeln und zu Gewebe verweben (3K-/12K-Köper, UD usw.).
- 6. Prepreg (optional)Das Gewebe mit kontrolliertem Harzanteil vorimprägnieren für gleichmäßige Teile.
- 7. Lagenaufbau + AushärtenIn eine Form einlegen und aushärten (Vakuumsack oder Autoklav) zum fertigen CFK-Teil.
Von der Faser zum fertigen Teil
Die karbonisierte, verwebte Faser ist immer noch nur Gewebe. Sie in ein hartes Teil zu verwandeln, bedeutet, Harz und eine Form hinzuzufügen [5]:
- Weben: Tows werden zu Gewebe verwebt (3K-/12K-Köper, Leinwand oder unidirektional).
- Prepreg: Viele Fertigungen imprägnieren das Gewebe mit einer präzisen Menge Epoxid für gleichmäßige, hochwertige Teile.
- Lagenaufbau: Das Gewebe (oder Prepreg) wird in eine Form eingelegt, mit der Webung am Lastpfad ausgerichtet.
- Aushärten: Hitze und Druck (Vakuumsack oder Autoklav) härten das Harz zu einem festen, porenfreien Laminat.
- Beschnitt & Finish: Das ausgehärtete Teil wird beschnitten und mit einem UV-stabilen Klarlack versehen.
Für einen Käufer ist das der Grund, warum sich zwei „Carbonfaser"-Teile so stark unterscheiden können: dieselbe Faser, sehr unterschiedlicher Lagenaufbau, unterschiedliches Harz und Aushärten. Weiterführend: was ist Carbonfaser? und wie wir OEM-/ODM-Produktion abwickeln.
Häufig gestellte Fragen
Die Fragen, die die Leute am häufigsten dazu stellen, wie Carbonfaser hergestellt wird.
Wie wird Carbonfaser hergestellt, einfach erklärt?
Eine Kunststoff-Vorproduktfaser (meist PAN) wird in kontrollierten Stufen erhitzt: zuerst bei etwa 200–300 °C an der Luft oxidiert zum Stabilisieren, dann bei rund 1.000–1.500 °C in einem sauerstofffreien Ofen karbonisiert, was alles außer dem Kohlenstoff austreibt. Die entstehende Faser wird oberflächenbehandelt, zu Gewebe verwebt, mit Harz kombiniert und in einer Form zum fertigen harten Teil (CFK) ausgehärtet.
Woraus wird Carbonfaser hergestellt?
Rund 90 % werden aus PAN (Polyacrylnitril), einem Kunststoff, hergestellt; der Rest aus Erdöl-/Kohlepech oder Rayon. Das Vorprodukt wird durch Hitze in nahezu reinen Kohlenstoff umgewandelt. Das fertige Teil enthält außerdem eine Harzmatrix (meist Epoxid), die die Carbonfasern zu einem starren Verbund verbindet.
Warum wird Carbonfaser schwarz?
Das Vorprodukt (PAN) ist weiß. Während der Oxidations-/Stabilisierungsstufe bei etwa 200–300 °C vernetzt sich seine Molekularstruktur und es wird schwarz. Die anschließende Hochtemperatur-Karbonisierung lässt nahezu reinen Kohlenstoff zurück, der das tiefschwarze Material ist, das Sie kennen.
Warum ist die Herstellung von Carbonfaser so teuer?
Der Prozess ist energie- und zeitintensiv: hochwertiges Vorprodukt, lange kontrollierte Oxidation, Karbonisierung bei sehr hoher Temperatur in Schutzgasöfen, Oberflächenbehandlung, dann Harzimprägnierung und Aushärten — vieles davon langsam und eng kontrolliert. Das teure Vorprodukt und die Energie der Öfen sind die größten Kostentreiber, weshalb Carbonfaser weit mehr kostet als Stahl oder Aluminium.
Was ist Prepreg-Carbonfaser?
Prepreg ist Carbongewebe, das im Werk mit einer präzisen, kontrollierten Menge Harz vorimprägniert wurde. Es erzeugt gleichmäßigere, hochwertigere Teile als von Hand aufgetragenes Harz („Nasslaminat"), weil das Faser-zu-Harz-Verhältnis exakt und gleichmäßig ist. Prepreg benötigt meist Kühllagerung und ein beheiztes Aushärten (oft im Autoklav).
Kann Carbonfaser recycelt werden?
Teilweise, und es ist schwerer als das Recycling von Metall. Das duroplastische Epoxid in den meisten CFK kann nicht einfach eingeschmolzen werden. Recyclingverfahren (etwa Pyrolyse) gewinnen die Carbonfasern zurück, indem sie das Harz abbrennen, doch die zurückgewonnenen Fasern sind kürzer und etwas schwächer, geeignet für minderwertigere Anwendungen. Die Recyclingtechnik verbessert sich, bleibt aber eine echte Einschränkung der Carbonfaser.
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