Faserverbundwerkstoffe Composites garantieren große Steifigkeit bei geringer Masse

Durch den Leichtbau mit CFK können die Massen und Trägheiten von hochdynamischen Komponenten reduziert und damit die Produktivität und Genauigkeit der Maschinen gesteigert werden – So geschehen beim Hebel des Barrenantriebs einer Textilmaschine.

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Sowohl in der Luft- und Raumfahrt als auch im Fahrzeugbau haben sich carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten bereits seit Jahren etabliert. Dabei werden auch zukünftig hohe Wachstumsraten insbesondere im Automobilbau prognostiziert. Daneben steigt die Nachfrage aber auch in anderen Branchen wie dem Maschinenbau stetig an. Komplexe Herausforderungen und kleine Stückzahlen sorgen allerdings dafür, dass CFK-Anwendungen bislang eher ein Nischendasein im Maschinenbau fristen. Dabei ist das Potential klassischer Metallbauweisen aufgrund des hohen technologischen Reifegrades der Branche bereits häufig erschöpft.

Metallbaupotential ausgeschöpft

So geraten metallische Bauweisen insbesondere im Bereich hochdynamischer Anwendungen an ihre Grenzen. Hohe Massenträgheiten und mangelnde Schwingungsdämpfung begrenzen die Genauigkeit solcher Maschinen und Anlagen signifikant. Kritische Resonanzfrequenzen können zudem weitere Performance-Steigerungen verhindern. Treten darüber hinaus unter Betriebsbedingungen unzulässige Wärmedehnungen auf, wird auch die erreichbare Präzision begrenzt. Alle genannten Punkte lassen sich durch Leichtbau mit CFK signifikant verbessern, so dass die Maschinendynamik erhöht und die Genauigkeit der Maschinen und Anlagen verbessert werden kann. Dabei punktet CFK nicht nur durch die geringe Dichte in Kombination mit hervorragenden, mechanischen Kennwerten. Es bietet darüber hinaus eine erhöhte Dauerfestigkeit im Vergleich zu den Metallen in Kombination mit Korrosionsbeständigkeit. Weiterhin zeichnet sich CFK durch hohe Dämpfung und eine in Grenzen einstellbare Wärmeausdehnung (bis hin zur Nulldehnung) aus. Darüber hinaus bieten Strukturen aus CFK eine hohe Gestaltungsfreiheit und die Möglichkeit zur Integration unterschiedlicher Funktionen (z.B. Zustandsüberwachung).

Aufgrund der genannten Vorteile und dem damit einhergehenden Nutzen lassen sich typische Anwendungsfelder im Umfeld des Maschinenbaus identifizieren. Neben hochsteifen plattenförmigen Einheiten und lokalen Verstärkungen handelt es sich dabei überwiegend um schnell bewegte Elemente wie rotierende Baugruppen, dynamisch oszillierende Komponenten oder auch Bewegungsachsen. Die Herausforderungen im Entwicklungsprozess liegen dann oftmals in der Schnittstelle zu den klassischen Werkstoffen. Beispielhaft sei hier die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Metall und CFK genannt. Dies kann im schlimmsten Fall zu einem „Bimetall-Effekt“ und in der Folge zu unerwünschten Verformungen der Struktur führen. Daher kommt dem Entwicklungsprozess mit all seinen Facetten eine große Bedeutung zu.

Beispiel CFK-Leichtbauhebel

Die LiCoMo GmbH hat in der Vergangenheit bereits eine Vielzahl solcher Entwicklungen im Umfeld des Maschinenbaus erfolgreich absolviert und kennt die Herausforderungen im Entwicklungsprozess. Einige werden im Folgenden am Beispiel eines Textilmaschinenhebels erläutert. Der betrachtete Hebel ist Bestandteil des Barrenantriebs einer Textilmaschine und führt ausgehend von der Rotationsachse alternierende Bewegungen in hoher Arbeitsfrequenz durch, so dass hohe Anforderungen an die Steifigkeit und Dynamik der Komponente gestellt werden. Der bisherige Hebel wurde als Aluminiumgusskonstruktion ausgeführt. Die stetig steigende Länge des Hebelarms führte jedoch zum Anstieg des Gesamträgheitsmomentes und in der Folge zu unzulässigen Verformungen am Kraftangriffspunkt. Daher sollte die bisherige Metallkonstruktion durch eine faserverbundgerechte Bauweise unter Anwendung von CFK substituiert werden. Dabei ist es zwingend erforderlich, dass fertigungsbedingte Restriktionen bereits in der Entwicklungsphase Berücksichtigung finden.

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So wurde im Falle des Hebels die abgewinkelte Form so abgeändert, dass ein sich verjüngendes Doppel-T-Profil unter Berücksichtigung der Ablegbarkeit eines endlosen Faserstrangs resultiert. Dadurch war es möglich, die metallischen Inserts im Bereich der Krafteinleitung in den Steg zu integrieren und formschlüssig über den Gurt zu fixieren. Dies führte wiederum dazu, dass das ursprünglich zweiteilige Spannsystem durch ein Ringspannsystem ersetzt werden musste. Durch Variation unterschiedlicher Fasertypen (hochsteife und hochfeste Fasern) im Gurt- und Stegbereich konnten zudem die erforderlichen Steifigkeiten und auf der anderen Seite die Kosten optimiert werden. Durch eine abschließende Bauteilprüfung erbrachten die Ingenieure von LiCoMo zudem den Nachweis, dass die Anforderungen an die Steifigkeit der Komponente bei einem Bruchteil des ursprünglichen Gewichtes der Metallbauweise erfüllt werden und damit das Trägheitsmoment bezüglich der Rotationsachse reduziert sowie die Maschinendynamik verbessert werden konnte. Allerdings zeigt das vorliegende Beispiel auch, dass eine faserverbundgerechte Konstruktion nicht durch eine reine 1:1-Substitution metallischer Bauweisen zu bewerkstelligen ist.

Grundsätzlich lassen sich gegenüber metallischen Strukturen die größten Effekte im Maschinenbau insbesondere dort erzielen, wo große Steifigkeiten und aufgrund der dynamischen Belastung geringe Masse gefordert werden. So verfügt die LiCoMo GmbH über eine große Expertise im Bereich des Maschinenbaus und hat bereits erfolgreich in Projekten Grundkörper für Schleifmaschinen, Portale für Mess- und Bearbeitungsmaschinen, Antriebsspindeln für Bohrwerke oder auch Barren für Textilmaschinen entwickelt. (qui)

Hannover Messe 2019: Halle 5, Stand B19

* Christoph Albani, Leiter Forschung & Entwicklung, LiCoMo GmbH, Döbeln

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