CFK-Anwendungen im Maschinenbau - composites.ch

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Messe Swisstech
CFK-Anwendungen
im Maschinenbau
Im modernen Maschinenbau gehen die Anforderungen zu immer schnelleren
und präziseren Maschinen und Anlagen. Faserverbundwerkstoffe (Composites)
bieten innovative und wirtschaftliche Lösungen, um die Leistungsfähigkeit
einer Maschine durch Gewichtsreduktion, niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
oder Röntgentransparenz zu erhöhen.
Faserverbundwerkstoffe (Composites)
sind ein Überbegriff für eine Vielzahl
von Materialpaarungen, die in
Kombination miteinander eine optimierte
Werkstoffeigenschaft erzeugen.
Beispiele aus dem allgemeinen Maschinenbau
belegen den erfolgreichen Einsatz
dieser Werkstoffe, die einst für die
Raumfahrt entwickelt wurden. Kernkomponenten
dieser Werkstoffe sind
die Fasern, die im Verbund die Aufgabe
haben, die wesentlichen Lasten zu
übernehmen. Die zweite Komponente
bildet die so genannte Matrix, in der
die Fasern eingebettet und gestützt
werden. Beide Komponenten haben
äusserst geringe Dichten und bilden so
im Verbund einen besonders leichten
und hoch belastbaren Werkstoff. Die
am häufigsten verwendeten Verbundwerkstoffe
sind Glasfaser-verstärkter
Kunststoff (GFK) und Kohlefaser-verstärkter
Kunststoff (CFK). Man unterscheidet
weiterhin zwischen dem Ein-
Dichte
[g/cm 3 ]
E-Modul
[GPa]
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Zugfestigkeit
[MPa]
GFK 2.0 45 1300
CFK-HM 1.6 230 1100
CFK-HT 1.5 125 1500
Aluminium 2.75 75 90…500
satz von hochfesten Fasern (HT) und
Hochmodul-Fasern (HM).
Weiterer Freiheitsgrad
im Designprozess
Je nach Variation von Faserart und deren
Anteil sowie der Faserrichtung können
produktspezifische Werkstoffe auf
einen Lastfall ausgelegt und optimiert
werden. Der Konstrukteur erhält so im
Designprozess einen weiteren Freiheitsgrad,
um eine optimale Bauteillösung
auszulegen. Verschiedene Faserarten lassen
sich in einem Bauteil kombinieren
und entsprechend der Lastpfade ablegen.
Wandstärken lassen sich lokal variieren,
Versteifungen und Verbindungselemente
können im Prozess im «One
Shot»-Verfahren eingebracht werden.
Somit bietet sich das Potenzial zu hoch
integrierten Bauteillösungen ähnlich
einer Gusskonstruktion für metallische
Werkstoffe oder Spritzgusslösungen bei
thermoplastischen Kunststoffen.
Einer der wesentlichen Vorteile der
Faserverbundkomponenten gegenüber
konventionellen Bauteillösungen ist in
der Regel das geringe Gewicht im Ver-
Typische Richtwerte eines unidirektional
verstärkten Epoxidharzes
mit einem Faservolumengehalt von
60% im Vergleich zu Aluminium.
Die Werte gelten in Faserrichtung. CFK-Leiste zur Positionierung von Kamerasystemen.
hältnis zur Festigkeit und des E-Moduls,
aber auch sehr spezifische Eigenschaften
wie niedrige thermische Ausdehnung
oder Röntgentransparenz. Fast unerschöpflich
sind die Möglichkeiten der
Formgebung. Über die Nutzung der
CAE/CAM-Kette in der Design- und
Entwicklungsphase lassen sich beliebige
Formen von Stäben bis zu komplexen
3D-Freiformflächen darstellen und im
Bauteil umsetzen. Die Verbindung mit
anderen Komponenten über Krafteinleitungen
kann durch Kleben problemlos
und dauerfest gelöst werden. Eine
klassische Alternative stellen Verbindungen
mittels Nieten oder Schrauben dar.
Gewichtseinsparungen
von 30–60%
Die Endbearbeitung erfolgt auf konventionellen
CNC-Maschinen, lediglich
Schnittparameter und Werkzeuge müssen
dem Werkstoff angepasst werden.
Die Praxis zeigt, dass mit Lösungen aus
modernen Faserverbundkomponenten
Gewichtseinsparungen von 30 bis 60%
in der einbaufertigen Komponente gegenüber
einer vergleichbaren Lösung
aus Stahl oder Aluminium erreicht werden
können – dies bei meist gleicher
oder höherer Leistungsfähigkeit.
Composites sind daher für Anwendungen
in hochdynamischen Maschinen
extrem interessant. Gängige Problemlöser
sind diese Werkstoffe immer
dann, wenn Schwingungen, Verformungen,
Energieverbrauch oder thermische
Ausdehnung den Maschinenkonstrukteuren
Probleme bereiten. Eine weitere
Besonderheit dieser Werkstoffe: Der
thermische Ausdehnungskoeffizient
kann durch Wahl der Faser und deren
Orientierung in der Matrix in bestimmten
Bereichen eingestellt werden.
Es ist durchaus möglich, Bauteile mit
einer thermischen Ausdehnung von
«Null» in einer Richtungsachse herzustellen.
Bilder: Huber + Suhner

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CFK-Schaufelblatt: Es werden Strömungsgeschwindigkeiten
realisiert,
die mit Aluminiumblättern aufgrund
geringerer Drehzahl nicht
mehr erreicht werden können.
So werden Komponenten aus Composites
bereits seit Jahren in der Antriebstechnik,
bei Walzen, hochbeschleunigten
Textilmaschinen oder in
der Laser- und Messtechnik eingesetzt.
Die bei Huber+Suhner eingesetzten
Werkstoffe basieren auf duroplastischen
Matrixmaterialien, vor allem Epoxidharzen.
Diese Harzsysteme bieten mit
einer Langfaserverstärkung aus Kohle-
oder Glasfaser optimale Eigenschaften
hinsichtlich Dauerfestigkeit, Medienbeständigkeit
sowie Umweltaspekten bei
der Verarbeitung.
Spezialisten früh
in ein Projekt einbeziehen
Neben der auf höchstem Qualitätsniveau
etablierten Serienfertigung von
Faserverbundkomponenten bietet Huber+Suhner
auch Unterstützung bei
Design, Konstruktion und Berechnung
an. Diese Entwicklungsunterstützung
kann vom Kunden um so effektiver genutzt
werden, je früher die Faserverbund-Spezialisten
in ein Projekt einbezogen
werden. Nur so kann faserverbundspezifischesAuslegungs-Knowhow
möglichst früh mit eingebracht
werden und die mögliche Lösung optimal
von Anfang an begleitet werden.
Huber+Suhner verfügt hierzu über ein
eigenes Entwicklungsteam, welches mit
den gängigen CAD-Hilfsmitteln (z.B.
Catia V5 CAD, FEM) arbeitet und so die
Schnittsellen zum Entwicklungspartner
und die Austauschbarkeit der Daten gewährleistet.
Auslegung und Konstruktion der Faserverbundkomponenten
sowie deren
Werkzeuge können genauso ausgeführt
werden wie die Verantwortung zur Endbearbeitung
oder für eine spätere Beschichtung.
Huber+Suhner verfügt zudem
über diverse Labors und Prüfeinrichtungen,
in denen Untersuchungen
zum mechanischen Verhalten, Verklebungen,
Alterung oder Brandanforderungen
durchgeführt werden können.
Bereits seit 20 Jahren entwickelt und
fertigt Huber+Suhner in Pfäffikon/ZH
Komponenten aus Faserverbundwerkstoffen
für die Luft- und Raumfahrt, vor
allem aber für den Maschinenbau. Dass
diese Lösungen, die auf den ersten Blick
eher kostenintensiver scheinen als konventionelle
Lösungen aus Metall, einen
wesentlichen Mehrwert für den Endkunden
generieren, soll anhand einiger
Beispiele dargestellt werden.
CFK – Ohne
Temperatureinfluss messen
Ein Hersteller von optischen Messsystemen
zur Endkontrolle elektronischer
Bauteile musste erkennen, dass seine
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Lüfterrad für Hochgeschwindigkeitsverdichter mit Flügeln aus hochfestem
GFK-Verbundwerkstoff.
Messdaten mit zunehmender Einsatzzeit
der Maschine ungenauer wurden
und die gesamte Genauigkeit der Maschine
im Dauerbetrieb nachliess. Strukturen
im Bereich einiger 0,01 mm mussten
optisch aufgelöst und zugeordnet
werden. Die zur Vermessung verwendeten
Digitalkameras waren auf Profilen
aus Aluminium montiert. Schnell ergab
die Untersuchung, dass die Erwärmung
der Maschine im Betrieb die Position
der Kameras mit zunehmender Einsatzdauer
verschob.
Es bestand die Möglichkeit einer aktiven
Kühlung der Zelle oder der Softwareanpassung
mittels eines Korrekturfaktors
aus der Temperaturmessung und
CFK-Linearachsensystem
mit integriertem Linearmotor.
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dem Ausdehnungsverhalten der Aufspannung.
Beides verursacht erhebliche
Mehrkosten beim Material bzw. einen
zusätzlichen Entwicklungsaufwand. Eine
schnelle und einfache Lösung bot der
Einsatz von CFK anstatt Aluminium.
CFK mit der sehr geringen Dichte von
1,6 g/cm 3 , d.h. leichter als Aluminium,
und einer thermischen Ausdehnung von
nahe Null, hielt die Kameras konstant
auf Abstand, unabhängig von der jeweiligen
Temperatur im Maschinengehäuse.
Das Gewicht des Schlittens wurde
zudem verringert, was sich positiv auf
die Prüfgeschwindigkeit und damit auf
die Dynamik der Maschine auswirkt.
Bei Huber+Suhner werden diverse Serienbauteile
gefertigt, die einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten (CTE)
im Bereich von 10 -8 1/K (vgl. Aluminium
24 x 10 -6 1/K) aufweisen. Die Werte
liegen damit nahe an den aktuellen
Messgrenzen. Unabhängige Messungen
bestätigen die theoretischen Ansätze
mehrfach.
CFK – Mehr Speed
im Windkanal
Die Anforderungen an moderne Automobilkarosserien
steigen hinsichtlich
der Aerodynamik. Aus diesem Grund
testen alle Automobilhersteller ihre
Fahrzeuge im Windkanal an 1:1-Modellen
bei voller simulierter Endgeschwindigkeit.
Die Herstellung der
hierzu benötigten Grossventilatoren
wird durch die konventionellen Werkstoffe
begrenzt. Das Gewicht eines
Schaufelblattes aus Aluminium (Dichte
2,7 g/cm 3 ) lässt einen Einsatz bei Endgeschwindigkeit
ab einer gewissen
Grösse nicht mehr zu.
Carbonstruktur.
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Abhilfe schaffen hier Schaufelblätter
aus CFK (Dichte ca. 1,6 g/cm 3 ), deren
Vorteile neben dem sehr viel geringeren
Gewicht, die wesentlich höheren Eigenfrequenzen
und die deutlich reduzierte
Massenträgheit sind. Dies ermöglicht
eine höhere Einsatzdrehzahl des Schaufelrades
und eine geringere Trägheit
bei Geschwindigkeitsänderungen oder
beim Anlauf.
Huber+Suhner realisiert aerodynamisch
optimierte Schaufelgeometrien
für den Einsatz sowohl in Grossventilatoren
als auch in anderen hochdrehenden
Verdichteranlagen kleinerer Bauart.
Durch eine geschlossene CAE-Kette
(CAD-Design, FEM-Berechnung, CNC-
Bearbeitung) ist eine Formgebung der
komplexen 3D-Freiformfläche in CFK-
Bauweise ohne Nachbearbeitung problemlos
möglich. Das Beispiel einer
CFK-Schaufel mit einer Länge von
knapp 2 Metern für den Einsatz in
einem Grossventilator wird auf der
Swisstech 2006 in Basel präsentiert.
CFK – Exaktes Positionieren
mit Höchstgeschwindigkeit
Zum Positionieren von Mikroelementen
sollte die Geschwindigkeit und Genauigkeit
eines Linearsystems um mehr als
50% gesteigert werden. Zusätzlich sollte
vom bisherigen Riemenantrieb auf einen
Linearantrieb gewechselt werden.
Schnell wurde dem Maschinenhersteller
klar, dass mit herkömmlichen Werkstoffen
wie Aluminium oder Stahl die
geforderte Performance der Maschine
nicht erreicht werden konnte. Nur mit
einem CFK-Werkstoff konnte der Kunde
die geforderte Geschwindigkeit aufgrund
der begrenzten Motorleistung erreichen.
Hochbeschleunigter Hebel (rechts)
für eine Briefsortieranlage und
das Gegenstück in konventioneller
Aluminiumbauweise. Wesentlich
geringere Massenträgheit des Hebels
erhöht die Leistungsfähigkeit
der Gesamtanlage.
Das deutlich geringere Gewicht der
CFK-Struktur und das stark reduzierte
Schwingungsverhalten des Kunststoffverbundes
brachten den Durchbruch
zum Erfolg der Maschine hinsichtlich
Genauigkeit und Geschwindigkeit.
Huber+Suhner löste zudem das Problem
der Anbindung des Linearantriebs
direkt an die CFK-Struktur. Sämtliche
Kraftübertragungen werden durch
Strukturklebungen gelöst.
Fazit
Die gezeigten Beispiele werden alle erfolgreich
in einer laufenden Serienfertigung
im Maschinenbau eingesetzt und
bewähren sich im harten täglichen Einsatz.
Trotz höherer Materialkosten überzeugten
die Leichtbaulösungen durch
einen teilweise erheblichen Mehrwert
für den Kunden. Nur mit solchen Wettbewerbsvorteilen
wird man auch zukünftig
marktfähig bleiben, um im harten
weltweiten Wettbewerb bestehen zu
können. Mit modernen Leichtbaukonzepten
ist man immer einen Schritt voraus!
−Wä−
Info
Huber+Suhner AG
Business Unit Composites
8320 Fehraltorf
8330 Pfäffikon/ZH
Tel. 044 954 98 00, Fax 044 954 98 98
composites@hubersuhner.com
Tel. 044-952 26 18, Fax 044-952 22 95
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Swisstech: Halle 2, Stand D71
J ENS KÄHLERT
Leiter Verkauf Business Unit Composites,
Huber+Suhner AG, Pfäffikon/ZH