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Faserverbundwerkstoffe

Höchste Dynamik mit CFK

| Redakteur: Dorothee Quitter

Dass Kohlefaserkunststoffe nicht nur für ausgefallene Anwendungen geeignet sind, zeigt die Konstruktion einer CFK-Auslegerachse für ein Positioniersystem.

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Das Positioniersystem von JAT besteht aus einer Linearachse, die eine auskragende Zahnriemenachse aus CFK aufnimmt. Bild: JAT
Das Positioniersystem von JAT besteht aus einer Linearachse, die eine auskragende Zahnriemenachse aus CFK aufnimmt. Bild: JAT
( Archiv: Vogel Business Media )

Im Bereich der Positioniersysteme setzt die Jenaer Antriebstechnik GmbH (JAT) Kohlefaser-Verbundwerkstoffe (CFK) in Serienprodukten ein. Ausgangspunkt dieser technischen Lösung war das Bestreben, die Produktivität eines optischen Inspektionssystems für elektronische Leiterplatten zu steigern. Das nun eingesetzte X-Y-Positioniersystem besteht aus einer Linearmotorachse als Träger für eine CFK-Auslegerachse. In der Vorgängerlösung wurde das System als Aluminiumkonstruktion ausgeführt. Ziel der Entwicklung war es, unter Einhaltung der vorgegebenen Ablaufgenauigkeiten, die Dynamik der Positionierung zu erhöhen, ohne die Kosten der Vorgängerlösung zu überschreiten. Möglichkeiten, dies zu erreichen, liegen in der Verringerung der bewegten Massen und in der Erhöhung der Struktursteifigkeit der Auslegerachse. Kohlefaser-Verbundwerkstoffe (CFK) erfüllen beide Anforderungen und besitzen noch eine Reihe zusätzlicher Vorteile, wie nachfolgend gezeigt wird.

Die Vorteile von CFK-Werkstoffen

Geht es um Leichtbau, sind CFK-Werkstoffe kaum zu schlagen. Strukturen aus CFK zeichnen sich durch minimales Gewicht bei höchster Festigkeit aus. Die meisten CFK-Teile wiegen bis zu 40 % weniger als vergleichbare Aluminiumteile. Ein weiterer Vorteil des Materials liegt darin, dass die mechanischen Eigenschaften für verschiedene Richtungen unterschiedlich gestaltet werden können. Unter Berücksichtigung der Faseranordnung entsprechend der Lastlinien ermöglicht das Material somit auch komplizierte Formgebungen, dadurch kann ein hoher Integrationsgrad erreicht werden. CFK ist weitestgehend unempfindlich gegen Korrosion. Damit kann das Material auch unter rauen Umgebungsbedingungen zum Einsatz kommen.

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Antriebskonzept mit Einsatz von CFK steigert Prüfgeschwindigkeit

Zugeschnitten auf die Kundenapplikation entwickelt die JAT mechanisch und elektrisch anschlussfertige ein- und mehrachsige mechatronische Subsysteme (auch rotatorisch), z.B. Linearachsen, Flachportale, Gantry-Systeme, XY-Tische , Drehtische, etc. In der vorliegenden Kundenapplikation für die Fa. Göpel electronic galt es, ein neues Antriebskonzept zu erarbeiten. Göpel electronic ist ein Anbieter von elektrischen und optischen Test- und Inspektionssystemen. Seit 1992 entwickelt und fertigt die Firma Systeme für die Automatische Optische Inspektion (AOI) für die Qualitätskontrolle in der Elektronikfertigung.

Forderungen an das neue System waren nicht nur eine Steigerung der Prüfgeschwindigkeit um bis zu 30% sondern auch permanente Verfügbarkeit, Wartungsarmut, Servicefreundlichkeit und eine hohe Wiederholgenauigkeit. Umgesetzt werden konnte erstere Forderung nur durch ein völlig neuartiges Linear-Antriebskonzept in Verbindung mit dem Einsatz von kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK). Eine Linearachse mit einem Hub von 550 mm, bestehend aus eisenbehafteten Direktlinearmotormodulen der Baureihe SLM-040 der Jenaer Antriebstechnik, nimmt eine auskragende Zahnriemenachse aus CFK auf. Somit entsteht eine T-förmige Anordnung der Achsen. Die Zahnriemenachse (Hub: 450 mm) wird angetrieben durch einen hochpoligen Ecostep-Servomotor der Baureihe 23S der JAT. Die Encoderauflösung des Motors beträgt 160.000 Inkremente/Umdrehung, daraus resultiert ein gutes Regelverhalten und ein besonders ruhiger Lauf. Zur Gewichtsoptimierung des Auslegerarms ist der Motor möglichst nahe an der Befestigung der CFK-Achse an der Linearachse angebracht. Die Bewegungssteuerung übernimmt pro Achse ein Servoverstärker des Typs Ecovario, ebenfalls eine Entwicklung der JAT. Der Kamerakopf ist auf einem Schlitten an der CFK-Achse montiert.

Durch dieses Konzept konnte eine außerordentlich hohe Dynamik bei der Positionierung des Kamerakopfes bewirkt werden. Der Bildaufnehmer von 8 kg kann mit Beschleunigungen von bis zu 20 m/s2 und Geschwindigkeiten von bis zu 1,25 m/s in beiden Achsen positioniert werden. Durch das geringe Eigengewicht und die hohe Strukturfestigkeit der CFK-Auslegerachse gelang es zugleich, die geforderte Positioniergenauigkeit im einstelligen Mikrometerbereich einzuhalten. Durch hohe Dämpfungswerte werden bei der Positionierung Einschwingzeiten unter 20 ms realisiert.

Konstruktionskompromiss hielt CFK-Fertigungskosten im vorgegebenen Rahmen

Doch die Kleinserienproduktion von CFK-Komponenten ist aufwändig und kompliziert. Grund dafür ist der bisher geringe Automatisierungsgrad in der Fertigung von CFK-Komponenten. Das größte Problem bleiben deshalb die Kosten. Im Rahmen der Entwicklung musste u.a. auch dieses Problem gemeistert werden, da die Kosten für das neue Antriebsystem gegenüber der bisherigen Lösung aus Aluminium gleich bleiben sollten. Dies gelang durch einen Kompromiss zwischen kraftflussgerechter und fertigungsoptimierter Konstruktion.

Eine weitere Herausforderung stellte die Verbindungstechnik dar. Beim Einsatz von konventionellen Materialien, wie z.B. Stahl und Aluminium, dominieren Schraub- und Nietverbindungen. Diese Verbindungstechnik lässt sich auf den Werkstoff CFK nicht direkt übertragen, da aufgrund der Materialeigenschaften des Verbundwerkstoffes punktförmige Belastungen problematisch sind. Eine flächige Verteilung der Belastung wird durch Techniken wie Kleben und Klemmen erreicht. Hierzu wurden spezielle Klemmvorrichtungen zum Aufnehmen des Querträgers entwickelt und untersucht.

Materialpaarung von CFK und Metall erfordert neue Verbindungslösungen

Auch die stark unterschiedliche thermische Ausdehnung von CFK und Metall und die Kraftverteilung im CFK-Material sind Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt. Deshalb mussten auch hier neue Methoden der Materialpaarung entwickelt und getestet werden. Die Linearführungen aus Stahl werden über Ausgleichselemente mit dem Trägermaterial CFK verbunden.

Letztendlich konnte ein Antriebssystem entwickelt werden, welches bei Positioniergenauigkeiten im einstelligen Mikrometerbereich und bei gegenüber konventionellen Materialien vergleichbaren Kosten eine um 30% gesteigerte Dynamik aufweist. Die Positionierzeit der Antriebe konnte reduziert werden, was eine deutlich höhere Produktivität der Gesamtmaschine zur Folge hat. Gleichzeitig konnte durch den Einsatz von Lineartechnik die Verfügbarkeit erhöht und der Wartungsbedarf minimiert werden.

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