Werkstoffe 40-Tonner leicht gemacht

Was beim Audi A2 vor wenigen Jahren mit „neuer Leichtigkeit“ schon frischen Wind in die Leichtbau-Diskussion brachte, mutet bei einem 40-Tonner jetzt geradezu revolutionär an: Im CFK-Valley Stade soll die erste schwere EU-Sattelzugmaschine (EU-SZM) in Kohlenstofffaserverbundkonstruktion (CFK) entwickelt werden.

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Die CFK-Valley-Mitglieder The Team Technology GmbH (TTT), Hamburg, und Carbo Tech Composites GmbH (CTC), Salzburg, haben Ende März 2007 einen Vertrag mit der britischen Forschungsvereinigung Motor Industry Research Association (Mira) über die herstellerunabhängige Entwicklung der ersten schweren EU-Sattelzugmaschine (EU-SZM) aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen (CFK) unterzeichnet. Dieser Sattelzug besteht im wesentlichen aus einer Kohlenstofffaserverbundkonstruktion im Bereich des Chassis, des Fahrwerks und des Fahrerhauses sowie einer Reihe von Anbau- und Einbauteilen. Die dreiachsige Zugmaschine mit rund 330 kW (450 PS) soll das modernste und leichteste motorgetriebene Nutzfahrzeug der schweren Klasse werden und als Prototyp bis 2009 fertiggestellt sein.

Je Lastzug sollen so fünfeinhalb bis sechs Tonnen Gewicht eingespart werden. „Damit reduzieren wir die Kohlendioxid-Emission pro Sattelzug um rund ein Drittel pro Jahr“ verspricht Hans Jürgen Lange, Geschäftsführender Gesellschafter des Projektpartners TTT. Das Ingenieurbüro TTT entwickelt, konstruiert und baut Nutzfahrzeuge und Komponenten und hält das Patent für Fahrgestelle aus Kohlenstofffaserverbundstoffen, so genannten CFK-Monocoques. Ein „Monocoque“ ist die in einschaliger Bauweise gefertigte tragende Struktur eines Fahrzeugs. Dabei nimmt die weitgehend geschlossene Außenhaut die meisten angreifenden Kräfte auf. Monocoques sind leicht und verwindungssteif, jedoch aufwändig zu fertigen.

Gewichtsvorteile und integrierte Funktionen

Bei vergleichbaren Steifigkeits- und Festigkeitswerten ist CFK etwa 70 Prozent leichter als Stahl und etwa 40 Prozent leichter als Aluminium – bei nur etwa 20 Prozent höheren Kosten. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Funktionsintegration: Kein zusätzliches Verschrauben oder Schweißen von zusätzlichen Bauteilen – alle Zusatzfunktionen wie Palettenkästen, Reserveräder oder Anfahrschutz sind im Gesamtgewicht des Trailers von 3 bis 3,5 t bereits integriert.

Kohlenfaserverbundwerkstoffe stellen aber auch enorme Ansprüche. Dipl.-Ing. Ria Kaiser, ebenfalls Geschäftsführende Gesellschafterin des Ingenieurbüros TTT: „Zur mechanischen Bearbeitung von CFK-Bauteilen benötigt man extrem hochfeste und verschleißfeste Werkzeuge. Hier gibt es deutliches Entwicklungspotenzial. Deshalb wird derzeit die mechanische Bearbeitung noch auf ein Minimum reduziert.“

Höchste Ansprüche an die mechanische Bearbeitung

Strukturbauteile aus CFK sind auf ihre Betriebsbelastung hin optimiert. Bezüglich der wirkenden Zerspankräfte sind sie nachgiebig und neigen zu Schwingungen. Deshalb müssen die Bearbeitungsmaschinen über ausreichend steife Spannvorrichtungen verfügen, die wegen der vergleichsweise kleinen Lose jedoch auch flexibel gestaltet sein müssen. Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus der Abfuhr oder Absaugung der Spänepartikel, die aus Arbeitsschutzgründen zwingend erforderlich ist.

Die Bearbeitung von CFK stellt daher in mehrfacher Hinsicht höchste Ansprüche an die Zerspanungswerkzeuge und die Prozesstechnologie, erläutert Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Hintze, verantwortlich für die Produktionstechnik im Institut für Produktionsmanagement und -technik an der TU Hamburg-Harburg und gleichfalls Mitglied des CFK-Valley Stade: „Einerseits verursachen die harten Kohlenstofffasern einen extrem hohen Abrasionsverschleiß, der Schneidstoffe und Beschichtungen höchster Härte erfordert. Außerdem gilt es, die hochfesten Fasern so zu trennen, dass eine Ablösung der Fasern von der weitaus weicheren Harzmatrix vermieden wird“. Des weiteren ist die Harzmatrix thermisch sehr empfindlich, so dass entsprechende Prozessgrenzen zwingend eingehalten werden müssen.

Im Sinne der sich verstärkt in Richtung Austauschbau entwickelnden Produktions- und Montagekonzepte müssen die CFK-Großstrukturen engere Toleranzen erfüllen, die von den heutigen Prozessrouten in der Regel nicht erreicht werden. Hieraus ergeben sich neue Aufgaben für die mechanische Bearbeitung mit entsprechenden Anforderungen an Werkzeugmaschinen und Werkzeuge. Vorrangige Entwicklungsrichtungen bei Zerspanwerkzeugen zielen dabei auf die Steigerung der Produktivität, das heißt der Vorschubgeschwindigkeit sowie auf die Erhöhung der Werkzeugstandzeit bei prozesssicherer Einhaltung der Qualitätsanforderungen. Andererseits gewinnen beim Besäumen einfacherer Bauteilgeometrien neben den spanenden Technologien Strahlverfahren (Wasser-/Laserstrahl) an Bedeutung.

Noch Entwicklungsbedarf bei Zerspanungswerkzeugen

Lösungsansätze bieten nach Einschätzung des Experten neue Diamantschneidstoffe und Beschichtungen in Kombination mit spezifischen Hartmetallsubstraten sowie Werkzeuggeometrien, die auf die besonderen Anforderungen der CFK-Bearbeitung zugeschnitten sind, basierend auf einem grundlegenden Verständnis der Trennmechanismen. Hier herrschen jedoch im Vergleich zur Metallbearbeitung, gibt Professor Hintze zu bedenken, „immer noch deutliche Wissensdefizite“.

Anzustreben sind weiterhin prozessintegrierte Systeme zur Verschleißerkennung sowie intelligente Kühlkonzepte, die hinsichtlich der verwendeten Medien und der Entsorgung wirtschaftlich und umweltverträglich sind.

Herausforderung für den Werkzeug- und Formenbau

Neue Herausforderungen kommen auch auf die Werkzeug- und Formenbauer zu. Dabei spiele die Wärmekapazität der Form eine entscheidende Rolle. Man ist beispielsweise bestrebt, von metallischen Formen auf andere Formenbauwerkstoffe wie z.B. CFK umzustellen. Eng verknüpft mit der Formgestaltung ist die Frage der Heizung und Kühlung. Alternative volumetrische oder selektive Heizprinzipien wie induktive, Widerstands- oder Mikrowellenheizungen werden derzeit erprobt.

Gleichermaßen gefordert sind nach Hintzes Einschätzung kostengünstigere Formenbauweisen, da die Formkosten gerade bei geringeren Stückzahlen einen wesentlichen Faktor darstellen. Aufgrund der großen Dimensionen ergeben sich bei konventionellen metallischen Formen sehr hohe Gewichte, die im Betrieb schwierig zu handhaben sind. Auch aus Handhabungsgründen sind daher alternative Formenkonzepte wünschenswert.

Neben der Anwendung in der Luftfahrt und bei Nutzfahrzeugen sieht CFK-Bearbeitungsexperte Professor Hintze auch im allgemeinen Maschinenbau „zukünftig vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für den Werkstoff CFK. Insbesondere kann das vorteilhafte Eigenschaftsprofil von CFK, wie seine bezogen auf die Dichte hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, sein geringer Wärmeausdehnungskoeffizient, sein günstiges Ermüdungsverhalten und seine Korrosionsbeständigkeit, konsequent dafür genutzt werden, deutliche technische oder wirtschaftliche Vorteile für den Kunden zu erzielen“. Voraussetzung und derzeit noch verbreitetes Hindernis seien die CFK-gerechte Bauteilauslegung sowie das Know-how und die Verfügbarkeit wirtschaftlicher Herstellungsrouten.

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