Verbundwerkstoff Neue Wege durch CFK im Maschinenbau

Autor / Redakteur: Christoph Loy* und Dr. Andreas Erber* / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Faserverbundwerkstoffe eröffnen Strukturbauteilen aufgrund ihrer Eigenschaften enorme Vorteile. So auch einem Handlingssystem für Hochtemperaturanwendungen.

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Zur Erhöhung der Steifigkeit bei gleichzeitig minimalem Gewicht wurde eine Sandwichbauweise realisiert. Die CFK-Konstruktion wiegt nur noch 12 kg (gegenüber 29 kg Aluminium-Konstruktion).
Zur Erhöhung der Steifigkeit bei gleichzeitig minimalem Gewicht wurde eine Sandwichbauweise realisiert. Die CFK-Konstruktion wiegt nur noch 12 kg (gegenüber 29 kg Aluminium-Konstruktion).
(Bild: SGL Group)

Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist sowohl in der Luft- und Raumfahrtindustrie als auch bei den Automobilherstellern in der Serienfertigung angekommen. Im Maschinen- und Anlagenbau wird das enorme Potential des Werkstoffs zukünftig ebenfalls immer mehr Strukturbauteil-Anwendungen erschließen. Der Werkstoff hat neben hohen gewichtsspezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten spezielle Eigenschaften, wie beispielsweise ein sehr gutes Dämpfungsverhalten oder äußerst geringe Wärmeausdehnungen, welche es gezielt einzusetzen gilt. Dadurch kann der Werkstoff bei hochbelasteten Bauteilen in seiner Funktionalität durchaus mit Metallen konkurrieren oder diese gar übertreffen. Gleichzeitig ermöglicht er eine deutliche Gewichtsreduktion.

Bei der Optimierung von Maschinen und Anlagen stehen vor allem die Steigerung der Produktionseffizienz und Bearbeitungsqualität sowie die Begrenzung oder gar Vermeidung von Maschinenschwingungen im Vordergrund. Schwingungen schränken die Prozessdynamik ein, führen zu einem erhöhten Verschleiß von Maschinenkomponenten und resultieren damit in ungenauen Prozessergebnissen. Durch den Einsatz von CFK mit seinen oben bereits erwähnten einzigartigen Werkstoffeigenschaften lassen sich Schwingungen reduzieren oder gar komplett vermeiden. Gleichzeitig lässt sich mit Hilfe von leichten CFK-Konstruktionen die Produktivität der Anlage steigern, da die Antriebe bei gleicher Leistung bessere Beschleunigungs- und Bremswerte erzielen. Dies hat unmittelbar eine Verkürzung der Taktzeiten und somit eine Senkung der Fertigungskosten zur Folge. Das war die Motivation eines Kundenprojektes, welches im Folgenden als ein exemplarisches Anwendungsbeispiel aus dem Bereich des Maschinen- und Anlagenbaus dargestellt wird.

Besondere Anforderungen durch hohe Temperaturen und Beschleunigungen

Eine Aluminium-Grundplatte, wie in Abbildung 1 gezeigt, die von der Firma Springer GmbH Presswerk- und Rohbau-Automation für ein System zum Handling von ca. 900 °C heißen Platinen in der Automobilindustrie eingesetzt wird, sollte auf Grund der bereits genannten Punkte, wie Gewicht, Steifigkeit oder Dämpfungsverhalten, ersetzt werden. Dabei sollte die für die Anwendung zu geringe Steifigkeit der Grundplatte durch die Anbringung zusätzlicher Rippen erhöht werden. Die angedachte Lösung, zunächst weiterhin basierend auf Aluminium, führte jedoch zu einer Steigerung des Gewichts und folglich zur Einschränkung der Dynamik bzw. Erhöhung der Zykluszeiten. Die in diesem Fall vorliegenden Anforderungen und Randbedingungen haben bei der Auswahl eines alternativen Werkstoffes sehr enge Grenzen gesetzt. Hohe Temperaturbelastungen und Präzisionsanforderung sowie enorme Beschleunigungen eines hochautomatisierten Prozesses galt es von Beginn an zu beachten. Die Herausforderungen und Ziele der Neukonstruktion waren klar definiert: Maximale Gewichtsreduktion (Referenz der Aluminium-Konstruktion mit 29 kg) bei einer hohen Systemsteifigkeit sowie eine Temperaturdauerbeständigkeit von 100 °C waren zu gewährleisten.

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