Neue Wege durch CFK im Maschinenbau

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Prepreg-Autoklav-Technik bietet große Design-Freiheiten

Für Projektleiter Josef Paula der SGL Technologies GmbH waren dies typische Anforderungen aus dem Bereich Maschinen- und Anlagenbau und somit eine perfekte Anwendung für den Werkstoff CFK. Aufgrund der klaren Kundenanforderungen und den Erfahrungen mit der bisherigen Aluminiumkonstruktion konnten bereits in der Bauweisenentwicklung die Weichen für ein erfolgreiches Projekt gestellt werden.

Da für das Bauteil zunächst nur geringe Stückzahlen geplant waren, wurde eine Prepreg-Autoklav Material- und Prozesstechnologie festgelegt. Dabei werden mit Epoxidharz vorimprägnierte Carbon-Textilien, so genannte Prepregs, manuell auf eine Vorrichtung drapiert und anschließend unter Vakuumatmosphäre im Überdruck (bis zu 6 Bar) bei Temperaturen von bis zu 200 °C ausgehärtet. Obwohl dieses Verfahren nur für Kleinserien angewendet wird, bietet es für den Anwender relativ große Design-Freiheiten bei gleichzeitig höchster Bauteilqualität. Für die Anforderung der Temperaturbeständigkeit von 100 °C wurde das Harzsystem E800 aus dem Hause der SGL Group verwendet.

Aufgrund der klaren Lastpfade während des Betriebes, Biegebelastungen um die Roboteranbindung in der Mitte des Bauteils, wurden unidirektionale Textilen (0°-Lagen) mit Geweben (0°/90°-Lagen) kombiniert. Bei diesem Lagenaufbau können die anisotropen Eigenschaften des CFK-Werkstoffes voll ausgenutzt werden. Während die unidirektionalen Lagen die eindimensionalen Belastungen der Biegung gezielt tragen, sorgen die Gewebelagen sowohl für eine gute Krafteinleitung als auch für die Gesamtsystemsteifigkeit bei diffusen Belastungen (siehe Abbildung 1).

Verringerte Komplexität durch mehrteilige Konstruktion in Schalenbauweise

Die geometrischen Änderungen zwischen der ursprünglichen Aluminium-Konstruktion und der neuen Lösung in CFK hielten sich aufgrund des zur Verfügung stehenden Bauraums und der schalenförmigen Bauweise in Grenzen. Zur Erhöhung der Steifigkeit bei gleichzeitig minimalem Gewicht wurde bei der Grundplatte eine Sandwichbauweise realisiert, um den Steiner-Anteil des Flächenträgheitsmomentes zu erhöhen. Dazu wurde zwischen den beiden lasttragenden CFK-Deckplatten ein Rohacell-Schaumkern verklebt. Der zusätzlich gewonnene Bauraum wird zur Einbringung von Aluminium- und Stahleinsätzen, für die Zentrierung des Greifers und der Montageaufnahme, verwendet.

Die Schalenbauweise der mehrteiligen Konstruktion, die zur Reduzierung der Komplexität im Fertigungsprozess ausgewählt wurde, erforderte ein anschließendes Fügen der Bauteile. Kleben ist dabei das verwendete Fügeverfahren, da es keine Spannungskonzentrationen verursacht. Bei der Auswahl des Epoxid-basierten Klebers galt es ebenfalls, die weiter oben dargestellten Bauteilanforderungen und Randbedingungen zu beachten.

Vor dem Design-Freeze überprüfte das Design- und Engineering-Team des Lightweight- and Application Centers (LAC) der SGL Group die CFK-Konstruktion mit Hilfe der FEM-Analyse in Hinblick auf Steifigkeit, Festigkeit, Ermüdungsverhalten und optimale Materialausnutzung. Gegenüber der ersten konzeptionellen Dimensionierung konnte weiteres Material in Form von geringeren Wandstärken eingespart werden. Der optimierte Designvorschlag bekam dann, in Abstimmung mit dem Kunden, die Produktionsfreigabe und wurde schließlich in der CFK-Produktion der SGL Group in Meitingen umgesetzt. Insgesamt konnte eine Gewichtseinsparung von 60 % bei einer deutlich erhöhten Steifigkeit erzielt werden. Die minimale Anforderung an die Steifigkeit wurde sogar für eine Temperatur von 150 °C nachgewiesen.

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Maßgeschneiderte Composite-Lösungen im LAC

Das Lightweight and Application Center (LAC) wurde im letzten Jahr am SGL-Standort in Meitingen bei Augsburg aufgebaut und verfügt über ein interdisziplinäres Experten-Team, das in enger Zusammenarbeit mit der Produktentwicklung der SGL Group täglich mit einer Vielzahl von Faserverbundmaterialien und Verarbeitungstechnologien arbeitet. Auf mittlerweile über 1500 Quadratmetern bietet das LAC-Team den Kunden Unterstützung bei der Entwicklung von innovativen Faserverbundstrukturen und Prozessen sowie die Produktion von Prototypen und Kleinserien aller Art an. Die Aufgabenstellung reicht von einfacher Ideenfindung bis hin zu umfangreicher gemeinsamer Konstruktionsarbeit mit Simulationen und Tests.

CFK-Werkstoffe adressieren optimal Strukturbauteile im Maschinenbau

Dieses Anwendungsbeispiel zeigt, dass die Anforderungen des Maschinen- und Anlagenbaus im Bereich der Strukturbauteile durch CFK-Werkstoffe optimal adressiert werden können. Der Werkstoff ist nicht nur wesentlich leichter als herkömmliche Materialien, er ermöglicht zudem komplexe Geometrien und bietet dank der optimalen Kombination von Harzsystemen und textilen Halbzeugen große Desingfreiheiten bei gegebenen Bauräumen.

Die Herausforderung bleibt jedoch, die nach wie vor relativ junge Werkstoffklasse CFK verstärkt im Maschinen- und Anlagenbau zu etablieren und ihr damit zum breiten indus- triellen Durchbruch zu verhelfen. Ein Prozess, der nicht über Nacht gelingt, sondern das Resultat jahrelanger Arbeit in den verschiedensten Entwicklungsprojekten zusammen mit Herstellern von Maschinen und Anlagen sein wird. (qui)

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