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Federn Wenn Stahl nicht mehr in die Federn kommt

Redakteur: M.A. Bernhard Richter

Federn aus Kunststoffverbunden als Alternative zu den traditionell genutzten Stahlfedern? Am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik/Leichtbau an der Universität Rostock sind sie bereits Realität.

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FKV-Federn für einen druckluftlosen Reifen haben eine schraubengangähnliche Geometrie, die Druckbelastung ist aber senkrecht zur Längsrichtung und nicht in Längsrichtung wie bei klassischen Schraubenfedern.
FKV-Federn für einen druckluftlosen Reifen haben eine schraubengangähnliche Geometrie, die Druckbelastung ist aber senkrecht zur Längsrichtung und nicht in Längsrichtung wie bei klassischen Schraubenfedern.
(Bild: Uni Rostock)

Faser-Kunststoff-Verbunde (z.B. GFK oder CFK) sind aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften eine interessante Materialalternative für elastische Federn. Hohe Festigkeiten, gutes Ermüdungsverhalten, kaum Korrosionsprobleme und geringes Gewicht sind gegeben und häufig gefragte Kriterien. Nicht selten lassen sich mit Federn aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) 60 % bis 70 % Gewichtseinsparungen gegenüber Stahlfedern erzielen, sie sind somit erstklassige Leichtbaufedern.

Der Werkstoff besteht aus zwei Grundkomponenten: den Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix. Die Matrix umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind. Neben den mechanischen Eigenschaften sind bei potenziellen Anwendungen auch andere physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise elektrische Isolationsfähigkeit, keine magnetischen Anziehungskräfte und geringe Geräuschemission, von Interesse.

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Zu den Herausforderungen für eine erfolgreiche Marktdurchdringung der Federn aus faserverstärkten Kunststoffen zählen u. a. geeignete Herstellungstechnologien für größere Stückzahlen, die Materialkosten und die Passfähigkeit für den vorgegebenen Bauraum. Erfolgreiche Einsätze von GFK-Fahrwerksfedern können beispielsweise die Blattfedern der Corvette (GM) und des Mercedes Sprinter sowie die relativ neue Schraubendruckfeder des Audi A6 angeführt werden.

FKV- und Federeigenschaften

Die in eine Polymer-/Kunststoffmatrix eingebetteten Fasern tragen u. a. zu einer Verstärkung und Versteifung des Kunststoffs bei. Daneben sind weitere Eigenschaften, wie beispielsweise die Ermüdungsfestigkeit und Wärmedehnung faserdominiert.
Die in eine Polymer-/Kunststoffmatrix eingebetteten Fasern tragen u. a. zu einer Verstärkung und Versteifung des Kunststoffs bei. Daneben sind weitere Eigenschaften, wie beispielsweise die Ermüdungsfestigkeit und Wärmedehnung faserdominiert.
(Bild: Uni Rostock)

Die in eine Polymer-/Kunststoffmatrix eingebetteten Fasern tragen u. a. zu einer Verstärkung und Versteifung des Kunststoffs bei. Daneben sind weitere Eigenschaften, wie beispielsweise die Ermüdungsfestigkeit und Wärmedehnung faserdominiert. Die Matrix hat insbesondere die Funktion der Krafteinleitung in die Fasern sowie eine Stützfunktion der dünnen Fasern. Darüber hinaus soll sie vor Umwelteinwirkungen schützen. Die Eigenschaften der Faser-Kunststoff-Verbundfedern werden wesentlich durch die Faser-, Matrix- und Interface-Eigenschaften sowie vom Fasergehalt und der Faserorientierung bestimmt. Allerdings haben die Fasern auch Nachteile: Es entstehen hohe Kosten bei Fertigung im industriellen Maßstab, sie sind schwer zu überwachen und zu testen und ein Recycling nach dem Ende der Lebensdauer gestaltet sich auch schwierig, da die Vorgehensweise beim Recycling eines Verbundwerkstoffs maßgeblich von dessen Matrixsystem abhängt. Grundsätzlich ist eine vollständige stoffliche Wiederverwertung unmöglich.

Widerstandsfähig wie Stahl

Federn aus CFK und GFK können in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt werden. In diesem Abschnitt werden vier ausgewählte FKV-Federn kurz vorgestellt. Es handelt sich dabei um eigene (Vor-) Entwicklungen des Lehrstuhls für Konstruktionstechnik/Leichtbau der Universität Rostock. CFK-Rollfedern stehen stellvertretend für andere gewickelte Federn, wie Spiral- oder Triebfedern. Ermüdungstests in der Federentwicklung haben ergeben, dass auch nach 1 Mio. Lastwechsel keinerlei Schäden (Prüffrequenz: 1 Hz und Federweg: 50 mm) an der Feder im Versuchsaufbau zu erkennen waren.

Die Reibungsfeder, auch als Ringfeder bekannt, ist eine Druckfeder bezüglich der äußeren Belastung. Der Nutzungsgrad ist aufgrund der relativ gleichmäßigen Ringspannungszustände sehr hoch. Es handelt sich bei der Ringfeder aus FKV um eine fasergerechte Beanspruchung. Dieser Federtyp kann hohe Druckkräfte aufnehmen und gibt deutlich geringere Druckkräfte wieder ab (z. B. 1/3 der maximalen Kraft). Die Dämpfung/Hysterese ist bei dieser Feder zwar sehr hoch, aber die Wärmeentwicklung stellte sich in den Tests als unkritisch dar. Abrieb konnte bei den Versuchen nicht festgestellt werden. Der Neigungswinkel der konischen Flächen darf wegen der Gefahr von Selbsthemmung nicht zu klein werden.

Bei der als Schraubenfeder bezeichneten FKV-Element handelt es sich nicht um eine klassische Schraubendruckfeder. Diese Feder für einen druckluftlosen Reifen hat zwar eine schraubengangähnliche Geome­trie, aber die Druckbelastung ist hier senkrecht zur Längsrichtung und nicht in Längsrichtung wie bei den klassischen Schraubenfedern.

CFK in Gasdruckfedern

Typische Gasdruckfeder. Auch hier kann CFK den bisher eingesetzten Stahl ersetzen.
Typische Gasdruckfeder. Auch hier kann CFK den bisher eingesetzten Stahl ersetzen.
(Bild: Uni Rostock)

Auch in Gasdruckfedern kann CFK Stahl ersetzen. Das beginnt bereits beim Zylinder. Weiteres Leichtbaupotential bietet der Austausch der Stahlkolbenstange durch eine CFK-Stange. Eine besondere Herausforderung war die Verbindung vom Al-Kopfstück (Al-Hülse) mit dem CFK-Zylinder. Hohe Gasdrücke und Kolbenauszugskräfte im Inneren des Systems beanspruchen die Verbindung sehr stark.

Aufgrund ihrer teils sehr positiven Eigenschaften eignen sich faserverstärkte Kunststoffe sehr gut als Federwerkstoffe mit hohem Leichtbaupotenzial, wie Tests und Anwendungen belegen. Bei Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff spielen Versuche eine wichtige Rolle: Da die Haftungsbedingungen zwischen Faser und Matrix unbekannt sind, kann auf eine experimentelle Überprüfung selten verzichtet werden. Kombinierte Umwelteinflüsse wie Medienangriff und hohe Temperaturen können nur durch Versuche beurteilt werden. Für eine größere Marktdurchdringung werden noch geeignete Herstellungstechnologien für mittlere und große Stückzahlen benötigt. Die Material- und insbesondere die Fertigungskosten können und müssen weiter sinken. (br)

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