Lineartechnik Stabile Leichtgewichte sparen Energie

Autor Ute Drescher

Vor allem die Automobilindustrie setzt auf Leichtbaulösungen. Doch auch in Montage- und Handhabung oder der Medizintechnik werden sie zunehmend eingesetzt. Wir haben nach Chancen und Risiken gefragt.

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(Bild: Franke)

Geringe bewegte Massen, kompakte, materialsparende Baugruppen und ein reduzierter Energieaufwand für Antrieb und Steuerung, das sind die Vorzüge von Leichtbaulösungen – auch in der Lineartechnik. Dass das Potenzial für Leichtbau in der Lineartechnik – ebenso wie allgemein im Maschinen und Anlagenbau – wächst, darüber herrscht Einigkeit. „Je filigraner konstruiert wird, desto leichter müssen auch die Komponenten sein, um möglichst geringe statische und dynamische Lasten zu erzeugen“, erklärt Peter Niemeyer, bei Franke zuständig für die Entwicklung von Linearsystemen.

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„Hersteller, die diesem Trend folgen, entwickeln Produkte, die mit weniger Bauraum und weniger Gewicht bzw. Masse immer höhere Tragzahlen erreichen“, erklärt Jens Kurzidim, Leitung Vertriebliches Produktmanagement Linearführungen und Gewindetriebe bei Bosch Rexroth. „Bei gleicher Tragzahlanforderung kann dann, abhängig von der Anwendung, zum Teil eine kleinere Baugröße eingesetzt werden“.

Die Zunahme der Verwendung alternativer Werkstoffe wie CFK oder lasergesintertes Aluminium stellt dabei Anforderungen in ganz neuen Dimensionen. Waren es bisher Linearsysteme aus Aluminium, die als besonders leicht galten, so gibt es heute bereits Führungssysteme aus Karbon. Doch gerade das Vertrauen in neue Werkstoffe wächst nur langsam, meint Christian Koch, Leiter Entwicklung Mechatronik bei der Jenaer Antriebstechnik.

Over-Engineering vermeiden

Der größte Feind leichtgewichtiger Konstruktionen ist das „Over-Engineering“. „Viele Konstrukteure tendieren noch dazu, Komponenten mit zig-facher Sicherheit auszulegen“, weiß Peter Niemeyer aus Erfahrung. „Das führt dazu, dass Maschinen und Fahrzeuge schwer und teuer werden“. Hier müsse ein Umdenken einsetzen, fordert der Leichtbau-Experte von Franke. Das bestätigt auch Volker Desch, Leitung Vertriebliches Produktmanagement Mechatronische Systeme bei Bosch Rexroth: „Eine Überdimensionierung kann zum Beispiel dazu führen, dass Masse verbaut wird, die gar nicht benötigt wird“.

Geringes Gewicht geht immer einher mit geringen bewegten Massen. Dadurch wirkt sich der Einsatz bewegter Leichtbaukomponenten nicht nur durch die reine Gewichtsersparnis positiv aus, sondern hat auch Auswirkungen auf die erforderliche Festigkeit der weiterführenden Teile. Hier kann durch geschicktes Konstruieren weiteres Gewicht reduziert werden. „Die größte Herausforderung für Konstrukteure ist es, zu unterscheiden, an welchen Stellen ihrer Anwendung Festigkeit und Halt vorrangige Anforderungen sind und an welchen leicht und materialsparend konstruiert werden kann“, erklärt Niemeyer.

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Anwendertreff Leichtbau – Leichtbau leicht gemacht

Am 1. und 2. Juni 2016 veranstaltet die Fachzeitschrift konstruktionspraxis in Würzburg den Anwendertreff Leichtbau. Die Auswahl geeigneter Werkstoffe, ein simulationsgetriebenes Design und darauf abgestimmte Fertigungsverfahren helfen, das Gewicht von Bauteilen zu reduzieren und damit Energie zu sparen sowie Kosten zu senken. Zu diesem Thema veranstaltet die konstruktionspraxis am 1. und 2. Juni 2016 in Würzburg den Anwendertreff Leichtbau. Produktentwickler und Konstrukteure können hier ihr Fachwissen auf den aktuellen Stand bringen. Die zweitägige Veranstaltung führt Experten mit Anwendern zusammen und gibt einen Überblick über die wichtigsten Leichtbauwerkstoffe und Leichtbaustrategien. Zusätzlich zu den Vorträgen können die Teilnehmer in praxisorientierten Workshops im direkten Austausch mit den Experten ihre Kenntnisse vertiefen und konkrete Fragen diskutieren. Eine Ausstellung ergänzt das Forum mit Workshop-Charakter. (qui)

Verbindungstechnik beachten

Neben der Dimensionierung der Bauteile und dem Festigkeitsnachweis empfiehlt Entwicklungsleiter Christian Koch von der Jenaer Antriebstechnik Konstrukteuren bei der Integration von Leichtbaulösungen in die eigenen Entwicklungen, auch die geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik zu beachten.

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Der Fahrzeugbau und hier besonders der Bereich der Elektromobilität, die Flugtechnik sowie die Medizintechnik, etwa die bildgebende Röntgentechnik, sind Anwendungsbereiche, für die sich Leichtbaulösungen besonders eignen. „Neben den Vorteilen des geringen Gewichts und der reduzierten Antriebsenergie kommen hier auch weitere Eigenschaften wie Sauberkeit, Materialausdehnung oder Non-Magnetismus zum Tragen“, betont Niemeyer. Sie treten oft bei der Verwendung alternativer Werkstoffe statt Stahl sozusagen als Neben­effekte auf – im positiven Sinn.

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Ebenfalls eine interessante neue Anwendungsmöglichkeit stellt die neu entstehende Branche der MRK (Mensch-Roboter-Kollaboration)-Roboter dar, die in Interaktion mit dem Menschen Aufgaben in Service und Produktion übernehmen, glaubt Niemeyer. Jens Kurzidim von Rexroth hält den Handlingbereich für prädestiniert: „Auch in Montage und Handhabung kann mit Leichtbaulösungen gut optimiert werden“.

Steifigkeit und Dynamik haben Vorrang

Doch der Einsatz von Leichtbaukomponenten und -lösungen hat auch Grenzen. „Dort, wo es um robuste und massive Anwendungen geht – etwa beim Maschinenbett eines Bearbeitungszentrums – sind sie fehl am Platz“, erklärt Peter Niemeyer. Auch Volker Desch warnt: „Steifigkeit und die Erfüllung von dynamischen Werten stehen im Vordergrund. Dies darf nie im Widerspruch zur Leichtbauweise stehen!“

Christian Koch sieht vor allem im Hinblick auf die Fertigung von Leichtbaukomponenten noch Herausforderungen: „Heutige kommerzielle Fertigungsverfahren haben erhöhte Initialkosten, etwa für die Form und das Werkzeug“, sagt er. Auch die mechanische Nachbearbeitung der Komponenten wie Fräsen oder Schleifen sei oft noch sehr teuer. Hier ist sicher noch einiges zu tun. Dennoch gilt: Moderne Werkstoffe und Fertigungsverfahren besitzen heutzutage ausreichend Potenzial, um die Grenzen leichtgewichtiger Komponenten immer weiter hinaus zu schieben.

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