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CFK-Querbalken

CFK-Leichtbau erhöht Produktivität einer Laserschneidmaschine

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Die Schwierigkeit besteht darin, die überragenden Eigenschaften, die quasi nur in Faserlängsrichtung vorliegen, durch fachkundige Dimensionierung effektiv im Bauteil einzustellen (Bilder 1 und 2). Der Querbalken wurde in Differenzialbauweise entwickelt. Das bedeutet, dass bei der Herstellung einfache und damit verhältnismäßig kostengünstige CFK-Halbzeuge (Sandwichplatten, Profile) zum Einsatz kommen. Sie werden durch Kleben miteinander gefügt.

Das Vorteilhafte beim Kleben ist, dass bei entsprechender Vorbehandlung der Fügeflächen und sachgemäßer Applikation des Klebstoffes verschiedene Werkstoffe elektrochemisch getrennt und dennoch sehr fest miteinander verbunden werden können. Dazu kommt die flächige Kraftübertragung. Für Faserverbundkunststoffe ist sie besser als eine punktuelle Lasteinleitung (zum Beispiel Schrauben oder Nieten), die in der Regel mit einer ungünstigen Unterbrechung des Faserverlaufes und damit des Kraftflusses einhergeht.

Bildergalerie

CFK-Metall-Verbindungen durch Kleben hergestellt

Im Bereich der seitlichen metallischen Auflager des Querbalkens, an denen die höchsten Momente entstehen, werden die Beanspruchungen maßgeblich durch jeweils eine Klebstoffschicht übertragen. Bei der Anbindung der 3 m langen metallischen Führungsschienen an der Längsseite des Balkens musste zusätzlich die Wärmeausdehnung der zu fügenden unterschiedlichen Werkstoffe berücksichtigt werden.

Die metallischen Führungsschienen sind für die beiden beweglichen Lasereinheiten erforderlich. Auch bei dieser Verbindung führte die Verwendung von Klebstoff – in Kombination mit einer ausgeklügelten Fügetechnik – zu einer Lösung, die allen Umgebungseinflüssen gerecht wird.

Vierfach höhere Steifigkeit als bei optimierter Stahlvariante

Der entwickelte Querbalken für die Laserschneidmaschine Trumpf Trulaser 7040 fiber (Bild 3) lässt sich als Referenzprodukt im Werkzeugmaschinenbau betrachten. Es hat sich nicht nur die Masse halbiert, sondern auch die Bauteilsteifigkeit verdoppelt.

Im Vergleich zur optimierten Stahlvariante bedeutet das eine Erhöhung der dynamischen Steifigkeit um das Vierfache. Die Folge ist eine Steigerung der Produktivität um 70%. In diesem Zusammenhang wurden die Simulationsergebnisse mithilfe experimenteller Eigenschaftsnachweise an mehreren Prototypen sowie speziellen Biegeproben verifiziert.

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