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Entwicklung technischer Federn Bis hierher und nicht weiter?

| Autor: M.A. Bernhard Richter

Die Entwicklung technischer Federn scheint ihren Höhepunkt erreicht zu haben. Dass es am Ende der Straße aber immer noch weiter geht, zeigen neue (alte) Ideen.

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Einfach mal über den Tellerrand schauen...
Einfach mal über den Tellerrand schauen...
(Bild: The road ends....Uhh no it doesn't / Nicholas Canup / BY 2.0)

Was unterscheidet eine Runddrahtfeder aus dem 19. Jahrhundert von einer modernen? Die Form hat sich kaum und die Funktion gar nicht geändert. Die Herstellungsmethoden wurden allerdings verfeinert und es werden bessere Werkstoffe verwendet. Das machte die technische Feder immer zuverlässiger und präziser. Doch angesichts aktueller Trends wie Leichtbau, effizienter Bauraumausnutzung und optimierter Lebensdauer steigen die Anforderungen der Industrie an Federn. Zusätzlich macht ein aufwändiger Herstellungsprozess mit Umformen, Schneiden, Wärmebehandlungen, Trennen, Einbringen von Eigenspannungen sowie Belastungsbedingungen den „gebogenen Draht“ zu einem hochkomplexen Konstruktionselement. Ist damit der Innovationszenith bei Federn erreicht?

Nein, meint Dipl.-Wirt.-Ing. Johannes Lambertz, Niederlassungsleiter des Lieferanten technischer Befestigungslösungen TFC: „Es ist über 50 Jahre her, dass der US-amerikanische Erfinder Smalley die Flachdrahtfeder erstmals produziert hat. Erst heute ist es möglich, Wellenfedern und Sicherungsringe bis zu einem Durchmesser von nur noch 4 mm zu designen und herzustellen – und ein Ende ist längst nicht in Sicht. Dies wäre ohne ständige Entwicklung unmöglich gewesen.“

Der Markt werde jedoch immer eine Weiterentwicklung von Produkten einfordern, was die technischen Vorgaben der Federn immer weiter vorantreibe, so Lambertz weiter. In der Automobilindustrie z. B. werden die Anforderungen insbesondere hinsichtlich Größe und Gewicht immer höher.

Könnten technische Federn aus Kunststoffverbunden eine Antwort auf diese Anforderungen der Industrie sein? Eine Antwort gibt der Lehrstuhl für Konstruktionstechnik/Leichtbau an der Universität Rostock, wo an Materialmixfedern geforscht wird.

Erste Materialmixfedern

Seit dem 15 Jahrhundert, mit der Erfindung des Drahtziehens, gibt es Runddrahtfedern. Damals schon fanden erste Materialmixfedern etwa in Form von Jagdbögen aus Holz, Horn und Sehnen Anwendung. Heute sind Faser-Kunststoff-Verbunde (z. B. GFK oder CFK) aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften eine interessante Materialalternative für Stahlfedern. Hohe Festigkeiten, gutes Ermüdungsverhalten, kaum Korrosionsprobleme und geringes Gewicht sind gegeben – und häufig gefragte Kriterien. Mit Federn aus Faser-Kunststoff-Verbunden lassen sich Gewichtseinsparungen von 60 % bis 70 % gegenüber Stahlfedern erzielen. Allerdings sind die Kosten bei der Fertigung im industriellen Maßstab hoch: CFK-Federn sind schwer zu überwachen und zu testen. Das Recycling gestaltet sich zudem schwierig, da die Vorgehensweise maßgeblich vom Matrixsystem des Verbundwerkstoffs abhängt. Grundsätzlich ist eine vollständige stoffliche Wiederverwertung unmöglich.

Innovation oder Evolution

Aufgrund ihrer Eigenschaften eignen sich faserverstärkte Kunststoffe sehr gut für Federn mit hohem Leichtbaupotenzial, wie Tests und Anwendungen belegen. Für eine größere Marktdurchdringung werden allerdings noch geeignete Herstellungstechnologien für mittlere und große Stückzahlen benötigt, so die Aussage der Universität. Die Material- und vor allem die Fertigungskosten können und müssen weiter sinken.

Die Metallfeder als Energiespeicher für potentielle Energie ist unschlagbar hinsichtlich Herstellungspreis und Leistungsvermögen und wird Konstrukteuren und Entwicklungen noch lange erhalten bleiben. Und weiterhin millionenfach verbaut werden – ob im Kugelschreiber oder in der Eisenbahn.

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Über den Autor

M.A. Bernhard Richter

M.A. Bernhard Richter

Redakteur Online/Print/Video, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht