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CFK-Querbalken CFK-Leichtbau erhöht Produktivität einer Laserschneidmaschine

| Redakteur: Josef-Martin Kraus

Wie sich Dynamik und Präzision bewegter Maschinenkomponenten bei reduzierter Schwingungsanfälligkeit steigern lässt, zeigt der CFK-Querbalken einer Laser- schneidmaschine. Wirtschaftliches Ergebnis ist ein enormer Anstieg der Produktivität. Sie beweist, dass sich CFK-Anwendungen im Maschinenbau lohnen können.

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Bei dieser Laserschneidanlage hat der Leichtbauwerkstoff CFK die Masse des Quer- balkens im Vergleich zur Stahl- variante halbiert und dessen dynamische Steifigkeit um das Vierfache erhöht. Die Folge ist ein Produktivitäts- anstieg um 70%. (Bild: Trumpf)
Bei dieser Laserschneidanlage hat der Leichtbauwerkstoff CFK die Masse des Quer- balkens im Vergleich zur Stahl- variante halbiert und dessen dynamische Steifigkeit um das Vierfache erhöht. Die Folge ist ein Produktivitäts- anstieg um 70%. (Bild: Trumpf)

Im Maschinen- und Anlagenbau gewinnt die Umsetzung von Leichtbauprinzipien zunehmend an Bedeutung. Ziel ist dabei die Erhöhung der Maschinenproduktivität. Erreicht werden soll die dafür notwendige höhere Dynamik durch die Massereduzierung beschleunigter Baugruppen.

Die Produktivitätssteigerung soll bei gleichbleibender oder verbesserter Bearbeitungsgenauigkeit möglichst ohne zusätzliche Antriebsleistung erfolgen.

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Metallische Potenziale ausgereizt trotz Topologieoptimierung

Die Verbesserung von Baugruppen in konventioneller Metallbauweise mithilfe der Topologieoptimierung ist mittlerweile Stand der Technik. Sind dabei jedoch die vorhandenen Potenziale ausgereizt, entsteht ein Zielkonflikt.

Das weitere Entfernen von Material zur Gewichtsreduzierung führt unweigerlich zu einem unerwünschten Steifigkeitsverlust. Eine Dynamikerhöhung lässt sich infolgedessen nicht mehr erreichen. Würde weiteres Material entfernt, wären unzulässigen Verformungen und Schwingungen aufgrund der entstehenden Massenkräfte die Folge.

Mit dieser Problematik sah sich die Trumpf Sachsen GmbH in Neukirch bei Dresden bei einer Laserschneidmaschine konfrontiert. Das Beschleunigungsvermögen des etwa 3,5 m langen Querbalkens, der mit zwei verfahrbaren Lasereinheiten, die asynchron bewegt werden können, bestückt ist, sollte auf 2,5 g erhöht werden.

Die FEM-Simulation der bereits optimierten Stahlvariante zeigte, dass die gewünschte Dynamikerhöhung allein mit metallischen Werkstoffen nicht vereinbar ist. Die aufgrund der höheren Beschleunigung verursachten Massenkräfte führten laut der Tochtergesellschaft des Maschinenbauers Trumpf, Ditzingen, zu Verformungen am Laserkopf, die mit der geforderten Genauigkeit unvereinbar waren.

Werkstoffspezifische Dimensionierung bringt CFK-Vorteile zum Tragen

Aus diesem Grund wurde der Schritt gewagt, in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU), Chemnitz, einen Querbalken in Kohlenstofffaser-Verbundbauweise zu entwickeln.

Faserverbunde sind metallischen Werkstoffen in vielen Bereichen (Steifigkeit, Festigkeit, Dauerfestigkeit, Dämpfung, Wärmeausdehnung) überlegen. So lassen sich mit Stahl vergleichbare Steifigkeitswerte in Abhängigkeit von der verwendeten Faser mit einem Fünftel der Masse erreichen.

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