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Kleben Geklebte Fachwerkstruktur vergrößert Fahrdynamik

| Redakteur: Dorothee Quitter

Durch den Einsatz spezieller Strukturklebstoffe ist es gelungen, ein Regalbediengerät in Leichtbauweise mit vollständig verklebtem Fachwerk-Mast zu entwickeln.

Gebhardt Fördertechnik, der Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau (KIMA) der TU Kaiserslautern sowie DELO Industrie Klebstoffe haben gemeinsam im Rahmen eines AIF-geförderten Projektes das Regalbediengerät „Cheetah“ entwickelt.
Gebhardt Fördertechnik, der Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau (KIMA) der TU Kaiserslautern sowie DELO Industrie Klebstoffe haben gemeinsam im Rahmen eines AIF-geförderten Projektes das Regalbediengerät „Cheetah“ entwickelt.
(Bild: Gebhardt Fördertechnik)

In der intralogistik, die sich im Gegensatz zum Warentransport von A nach B per LKW, Bahn, Schiff oder Flugzeug mit der Optimierung innerbetrieblicher Waren- und Materialflüsse beschäftigt, zählt höchste Effizienz. In automatischen Kleinteilelagern gibt es dabei mit Regalbediengeräten sowie Shuttle-Systemen prinzipiell zwei Systeme. Um im Vergleich zu modernen Shuttle-Systemen konkurrenzfähig zu bleiben, müssen Regalbediengeräte höhere Umschlagleistungen als bislang bieten. Die Lösung für weniger Gewicht, mehr Fahrdynamik und damit mehr Effizienz lautet: Leichtbau.

Querschnittserhaltendes Fügen

CFK und GFK als hochfeste und gleichzeitig leichte Werkstoffe sind dafür geeignete Materialien. Allerdings sind Schweißen, Schrauben und Nieten – die Klassiker im Maschinen- und Anlagenbau – bei solchen Composite-Materialien kaum möglich. Sie würden den laminaren Aufbau beschädigen, der einen entscheidenden Anteil an ihrer Festigkeit hat.

Durch den Einsatz spezieller Strukturklebstoffe ist es Gebhardt Fördertechnik, dem Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau (KIMA) der TU Kaiserslautern sowie DELO Industrie Klebstoffe im Rahmen eines AIF-geförderten Projektes gelungen, ein Regalbediengerät in Leichtbauweise mit vollständig verklebtem Fachwerk zu entwickeln, das dank des reduzierten Gewichts eine größere Fahrdynamik erlangt.

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Kleben sorgt für starke Verbindung

Im Vergleich zum Schweißen ist Kleben auch deshalb vorteilhaft, da es die zur Verfügung stehende Kontaktfläche der Fügepartner komplett nutzt und nicht nur einzelne verschweißte Punkte oder Linien. So verleiht der Klebstoff der Gesamtstruktur eine erhöhte Steifigkeit. Hierdurch reduzieren sich Schwingungen, die durch Beschleunigen und Abbremsen entstehen, so dass nur eine extrem kurze Beruhigungszeit benötigt wird. Zudem führt die erhöhte Dämpfung dazu, dass die Belastung von verschleißanfälligen Bauteilen minimiert ist. Das senkt die Betriebskosten und erhöht die Verfügbarkeit. Ein weiterer Vorteil des Klebens ist, dass die Klebstoffschicht Bauteiltoleranzen ausgleicht und so meist die mechanische Bearbeitung der Fügepartner vereinfacht. In der Vergangenheit scheiterte die Umsetzung eines konsequenten Leichtbaus mit Kompositwerkstoffen vor allem an hohen Material- und Fertigungskosten. Deshalb wurden bei der Umsetzung des Cheetah-Masts Standardprofile aus Faserverbundwerkstoff verwendet. Außer Composite-Materialien kommen aber auch Stahl und Aluminium zum Einsatz – gemäß der Devise „Das richtige Material an der richtigen Stelle“.

Tipp: Anwendertreff Leichtbau Auf dem 3. Anwendertreff Leichtbau, der vom 4. bis 5. Dezember 2018 in Würzburg stattfindet, wird Bernd Scholl von Delo im Praxisforum Fügetechnologien erklären, was beim strukturellen Kleben von Faserverbundwerkstoffen mit Metallen beachtet werden muss und wie mögliche Lösungen aussehen können.
Mehr Informationen: Anwendertreff Leichtbau

Klebstoff mit besonderen Vorzügen

Die geforderten hohen strukturellen Festigkeiten bei gleichzeitig dynamischen Belastungen stellen hohe Anforderungen an den Klebstoff. Der hier eingesetzte, zweikomponentige Epoxidharzklebstoff Delo-Duopox AD848 erfüllt alle geforderten Eigenschaften und überzeugt durch seine sehr gute Haftung auf Metallen, Kunststoffen sowie glatten Oberflächen. Die lange Verarbeitungszeit von 90 min und die pastöse Viskosität lassen zudem das exakte Positionieren der einzelnen Mastkomponenten in der Fertigung zu. Er härtet bei Raumtemperatur vollständig aus und verfügt über eine hohe Schälfestig- sowie Schlagzähigkeit. Der hochfeste Konstruktionsklebstoff ist dazu in einem Dauertemperaturbereich von -40 °C bis zu 140 °C ein- setzbar. Darüber hinaus ermöglicht die Verarbeitung aus dem Delo-Automix-System ein quasi-einkomponentiges Dosieren.

Die Wahl des idealen Fachwerkkonzepts

Im Rahmen des Projekts wurden zwei verschiedene Fachwerkkonzepte getestet: zum einen ein Fachwerk vollständig aus Stahl und zum anderen ein Fachwerk im Multi-Mate- rial-Design (CFK-Profile und Aluminiumbleche). Diese Konzepte wurden anschließend mit der Finiten-Elemente-Methode und der Mehrkörpersimulation mit flexiblen Körpern geprüft und verglichen. Das Ergebnis: Das Fachwerkkonzept aus dem Materialmix überzeugte mit einer besseren Dämpfung und einer im Verhältnis zur reinen Stahlkonstruktion nur minimal geringeren Steifigkeit – und dies bei gerade einem Drittel des Gewichts. Ein weiterer Vorteil sind die mit Aluminiumblechen geklebten Knotenpunkte entlang des Mastes. Diese Knoten stellen Anbindungsstellen dar, an denen mittels Schrauben weitere Anbauteile wie Führungsschienen oder Schleifleitungen problemlos angebracht werden können, wodurch sich das Gerät flexibel erweitern lässt. Vor allem sorgt an den hoch belasteten Knoten die Erhöhung der Wandstärke in Form eines Sandwichprofils für eine hohe Steifigkeit des Gesamtsystems.

Tragwerk im Praxistest

Um die Betriebsfestigkeit und -sicherheit des Regalbediengeräts zu überprüfen, wurde der Mast auf einem servo-hydraulischen Schwingungsprüfstand des Lehrstuhls KIMA im Prüffeld der TU Kaiserslautern getestet. Hier bewies er seine Betriebsfestigkeit und zeigte auch nach vielen Millionen Lastwechseln keinerlei Schädigungen oder Reduktion der Festigkeit. Die Prüfung umfasste zusätzlich zehntausende von Pufferfahrten und Not-Halt Situationen. Im Labor von Delo wurden zudem verklebte Bauteile Alterungstests unterzogen und ausgewertet. Die vorgenommenen Prüfstands- und Alterungsversuche simulieren somit den gesamten Lebenszyklus des Cheetah.

Mal „Eco“, mal „Speed“

Entwickelt wurde der Cheetah in den zwei Versionen „Eco“ und „Speed“. Cheetah Eco ist darauf ausgelegt, den Energieverbrauch durch geringes Eigengewicht zu reduzieren. Durch intelligente Energiespartechnologien lässt sich eine deutliche Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Regalbediengeräten erreichen. Höchster Durchsatz wird dagegen mit dem Cheetah Speed erreicht. Dank einer sportwagengleichen maximalen Beschleunigung von 6,5 m/s² und einer Höchstgeschwindigkeit von 6,5 m/s, gepaart mit optimierten Lastaufnahmemitteln, kann diese Variante selbst bei 12 m Höhe die möglichen Durchsatzleistungen deutlich erhöhen. Dabei wird der Gebhardt Cheetah im Rahmen der Projektierung generell auf die notwendige Dynamik angepasst, um eine maximale Effizienz zu erzielen. Dieses Vorgehen senkt die Betriebskosten, da eine Überdimensionierung vermieden wird. Spätere Aufrüstungen sind dennoch möglich, da die tragende Struktur des Regalbediengeräts stets für höchste Dynamik ausgelegt wird. Das Beispiel des Cheetah zeigt, wie strukturelles Kleben auch Maschinen- und Anlagenbauern die Möglichkeit bietet, die Vorteile von Faserverbund-Materialien und Multi-Material-Designs erfolgreich zu nutzen. (qui)

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