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Composites im Maschinenbau

Abspecken im Maschinenbau

| Autor / Redakteur: Peter Königsreuther / Peter Königsreuther

Mit einem Kolbendurchmesser bis 200 mm, einem Hub bis 1500 mm, Arbeitskräften bis 400 kN und einem Temperaturbereich von -40 bis 80 °C lassen sich laut Hänchen vielfältige Anwendungsfelder finden. Die Präzision entspreche der ISO-Qualität 7, die Stange erfüllt f7, das Rohr H7. Die Zylinderrohre aus H-CFK halten 700 bar und mehr aus, denen bisher nur äußerst aufwendige und schwere Spezialkonstruktionen paroli bieten konnten, wie Hänchen betont.

Hydraulikzylinder mit Kolbenstangen aus H-CFK bieten sich auch an, wenn bei gleicher Leistung Energie eingespart oder in hochdynamischen Anwendungsfällen eine höhere Beschleunigung erzielt werden soll: Je nach Einsatzfall lässt sich die Antriebsleistung deutlich reduzieren oder die jeweilige Hydraulikkomponente bei gleicher Leistungsfähigkeit stark verkleinern.

Forschung und Industrie treiben Composite-Maschinenbau an

Das Unternehmen Xperion ist ein weiterer Vorreiter, wenn es um den Faserverbundeinsatz im Maschinenbau geht. Bekannt sind unter anderem leichte, schwingungsoptimierte sowie ausdehnungsminimierte Traversen für Werkzeugmaschinen aus CFK, mit denen Xperion auf nahezu jeder namhaften Maschinenbaumesse anzutreffen ist. Auf dem jüngsten Forschungsfeld, das die FVK-Spezialisten zusammen mit Wissenschaftlern der TU Darmstadt beackern, soll einmal eine nichtschaltbare Lamellenkupplung aus GFK geerntet werden.

Nichtschaltbare, nachgiebige Kupplungen werden eingesetzt, wenn zwischen zwei Wellen, die eine Leistung übertragen, Versätze auftreten können, erklären die beiden Projektverantwortlichen Prof. Dr.-Ing. Helmut Schürmann und Jakob Katz M. Sc. von der TU Darmstadt. Ein Vertreter dieser Kupplungskategorie ist die Lamellenkupplung. Namensgebendes Element der Kupplung ist das Lamellenpaket, das üblicherweise aus ringförmigen Blechscheiben aufgebaut ist. Weil die Lamelle axial und winklig nachgiebig ist, wird ein Ausgleich von Winkel- und Axialversätzen bei gleichzeitig hoher Torsionssteifigkeit möglich. Als Werkstoff für Lamellenkupplungen hat sich Federstahl etabliert. Der Werkstoff und seine Verarbeitung sind wirtschaftlich. Die große spezifische Festigkeit ermöglicht eine hohe Leistungsübertragung bei kleinem Bauraum. GFK als Alternative weist gegenüber Federstahl aber diverse Vorteile auf:

  • Die Vielfalt an Geometrie- und Laminatparametern ermöglicht die Anpassung von GFK an die herrschenden Lastfälle.
  • Es können etwa doppelt so große Versätze wie mit der Stahlvariante ausgeglichen werden.
  • Die GFK-Lamelle korrodiert nicht und ist elektrisch isolierend.
  • Die Kupplung hat den gleichen Bauraum und die gleiche Belastbarkeit wie die Referenzkupplung aus Federstahl: Sie kann also in bestehende Systeme nachgerüstet werden.
  • Auch das Unternehmen Voith Composites nimmt den Leichtbauball auf und arbeitet mit carbonfaserverstärkten Komponenten für seinen Maschinenbau. Dr.-Ing. Markus Lang von Voith fügt dem bereits genannten Vorteilsspektrum durch den Einsatz von CFK an Maschinen und Anlagen noch dessen Abrasionsbeständigkeit sowie die Möglichkeit zur „intelligenten“ Funktionalisierung an. Lang berichtete jüngst über ein Beispiel zur Gewichts- und Kostenreduzierung bei einer Papierherstellungsmaschine namens Voith Duoshake TM, die mit einer geschüttelten Brustwalze aus Stahl arbeitet. Diese Brustwalze hat man nun mit einer CFK-Variante verglichen. Das Ergebnis kann sich sehen lassen, denn die CFK-Brustwalze wiegt etwas mehr als ein Drittel. Weil das Schüttelaggregat aufgrund des niedrigeren Gewichts verkleinert werden kann, können Kosten eingespart werden. Bei gleichen Arbeitskennwerten (Schüttelkennzahl SKZ) gelingt zusätzlich eine Formatverbesserung von 25 % und weil bei gleichbleibender Papierqualität weniger Fasern benötigt werden, rechnet sich die Investition bereits in weniger als einem halben Jahr, so Lang.

    Die tribologischen Vorteile von CFK nutzt Voith bei Schaberklingen für die mechanische Reinigung von Walzen aus. Denn der herrschende Reibkoeffizient zwischen Schaber und Walze kostet Energie und mindert die Antriebsleistung einer Papiermaschine. CFK lässt sich in seinen Reibeigenschaften gut einstellen und in Kombination mit der sogenannten Nasstechnik zur Reinigung konnten die Energieverluste laut Lang deutlich reduziert werden.

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