Leichtbau Hybridprofil spart 25 % Gewicht und verbessert die Steifigkeit

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Faserhalbzeuge in einen Profilquerschnitt einzuziehen ist eher ungewöhnlich. Um Bauteile mit CFK zu verstärken, werden meist Patches aufgesetzt. Wie Carbonfasern Aluminiumprofile von innen verstärken zeigt die Leichtbau-Lösung für eine industrielle Stickmaschine.

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Zusammen mit dem Institut für Flugzeugbau der Uni Stuttgart hat Tajima eine Methode entwickelt, bei der Aluminiumpropfile mit CFK von innen verstärkt werden.
Zusammen mit dem Institut für Flugzeugbau der Uni Stuttgart hat Tajima eine Methode entwickelt, bei der Aluminiumpropfile mit CFK von innen verstärkt werden.
(Bild: Tajima GmbH)

Die Rahmen der industriellen Stickmaschinen bei der Tajima GmbH können eine Größe von 9 x 2,5 m erreichen. Dabei lösen die Stickereien Zugkräfte aus, gegen die der Rahmen bestehen muss. Beim Stickvorgang bewegt der Rahmen das Gewebe. Seine Bewegungen können eine Frequenz von 1.200 pro Minute erreichen. Vor allem bei schnelllaufenden Maschinen sind Vibrationen eine Herausforderung für Auslegung und Betrieb. Sie haben einen erhöhten Wartungsaufwand und verursachen eine verminderte Produktqualität. Deshalb müssen vibrationsgefährdete Bauteile häufig gleichzeitig leicht und steif sein – und im besten Fall eine schwingungsdämpfende Wirkung besitzen. „Immer wieder hat uns der Aluminium-Stickrahmen bei den Mehrkopfmaschinen Probleme durch Vibration bereitet. Und auch bei der Stabilität des Rahmens war noch Optimierungspotenzial“, erklärt Martin Hofmann, Leiter Bereich Sondermaschinen bei der Tajima GmbH, das Problem.

Profile erhalten einen Kern aus Carbonfaserverbund

Um die Rahmen stabiler und steifer zu gestalten, haben die Experten bei Tajima zunächst ein Patch aus Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) aufgesetzt – ohne Erfolg. Als

Bei den Mehrkopfmaschinen hat immer wieder der Aluminium-Stickrahmen Probleme durch Vibration bereitet. DIe Lösung: ein Hybridprofil.
Bei den Mehrkopfmaschinen hat immer wieder der Aluminium-Stickrahmen Probleme durch Vibration bereitet. DIe Lösung: ein Hybridprofil.
(Bild: Tajima)

Lösung kam nur eine innenliegende Faserverstärkung in Frage. Doch wie die harzgetränkten Fasern in die Profile nachträglich einziehen? Die Methode hierzu wurde zusammen mit dem Institut für Flugzeugbau (IFB) der Universität Stuttgart als Partner entwickelt. Dabei wird das mit Harz getränkte Fasermaterial durch eine Art umgekehrtes „Nass-Pultrusionsverfahren“ in die Standard-Aluminiumprofile eingezogen, deren Innenfläche für eine optimierte Haftung vorbehandelt ist. „Die eigentliche Innovation ist, die Kohlefaser und das Aluminium so gut miteinander zu kombinieren und innen auch so gut zu verkleben, dass sie im Nachgang wie ein Material auftreten“, verrät Hoffmann den Vorteil bei dieser Methode.

25 % Gewichtseinsparung und 25 % mehr Steifigkeit

Der eher ungewöhnliche Aufbau kombiniert die positiven Eigenschaften des jeweiligen Werkstoffs: außen liegt das kratzfeste, chemikalienbeständige und isotrope Aluminium und innen das hochfeste, sehr leichte und gut dämpfende CFK. „Wir haben hier etwa 25 % Gewichtseinsparung, haben aber gleichzeitig 25 % mehr Festigkeit und Steifigkeit“, sagt Hoffmann stolz. Auch jegliche Verbindungstechniken, wie Spannclips für Standard-Profile, können weiterverwendet werden, da das Fasergewebe im Profil durch das außenliegende Aluminium vor mechanischen Beschädigungen geschützt ist. Die Hybridprofile verbessern damit die Dynamik, die Qualität und die Leistungsfähigkeit der Maschinen.

Aluminiumprofile auch nachträglich optimieren

Ein weiterer Vorteil dieses Herstellverfahrens: es ist nachrüstbar. So können Aluminiumprofile – beispielsweise von Item oder Bosch, die im Maschinenbau sehr verbreitet sind – auch nachträglich durch das Einziehen des Faserverbundkerns in ihren mechanischen Eigenschaften optimiert werden.

Außerdem eröffnen sich durch die verbesserten Eigenschaften des Aluminiumprofils weitere Anwendungsgebiete im Leichtbau. So führen eine verbesserte Stabilität und gleichzeitige Gewichtseinsparung in der Mobilität zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch oder höherer Reichweite.

Hybridprofile eröffnen neue Möglichkeiten

Auch im Maschinenbau ergeben sich Vorteile für Dynamik, Materialeffizienz und Energieverbrauch – und darüber hinaus für neue Produkte. Erste CFK-innenverstärkte Profile setzt Tajima heute bereits in Pilotanwendungen auf den eigenen Maschinen ein. Aufgrund der verbesserten Steifigkeit wird nun beispielsweise das Besticken von Automobilteppichen mit Heizungselementen möglich, das vor allem in der Elektromobilität nachgefragt ist.

Ein schwieriger Aspekt im Hinblick auf die Nachhaltigkeit des Hybridprofils ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen CFK und Aluminium. Um hier eine zukunftsfähige Lösung für das Recycling zu finden, sucht die Tajima GmbH Partner aus Industrie und Forschung, um diese Technologie weiterzuentwickeln. Für die Entwicklung der Hybridprofile hat Tajima den ThinKing der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg erhalten. Mit diesem Label gibt die Leichtbau BW GmbH monatliche innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg eine Plattform.

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