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Composites im Maschinenbau Die Schlankheitspille für Autos und Maschinen

| Autor / Redakteur: Peter Königsreuther / Peter Königsreuther

Automobilsektor und Aerospace sind die Treiber beim Einsatz von faserverstärkten Bauteilen. Auch Maschinenbauer arbeiten nun daran, Metallteile durch leichtere Alternativen aus Composites zu substituieren. Jedoch gibt es auch einige Hürden zu überwinden.

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Beispiel für eine gelungene Anbindungsschnittstelle aus Aluminium zur sicheren Montage in die Werkzeugmaschine an den Enden eines Leichtbau-Z-Schlittens aus CFK.
Beispiel für eine gelungene Anbindungsschnittstelle aus Aluminium zur sicheren Montage in die Werkzeugmaschine an den Enden eines Leichtbau-Z-Schlittens aus CFK.
(Bild: SGL Group)

Das Forum Composite Technology des VDMA lud letzten Herbst zu einer der ersten umfangreicheren Veranstaltungen zum Thema „Composites im Maschinenbau“ ein. Im Rahmen der Veranstaltung referierten Fachleute aus Industrie und Forschung über ihre Erfahrungen damit, herkömmliche Stahl- oder Aluminiumteile durch Leichtbaukomponenten aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) zu ersetzten.

Die Absicht dazu gründet sich nicht auf den allgemeinen Trend, alles Mögliche auch aus carbon- oder glasfaserverstärktem Kunststoff (CFK respektive GFK) zu fertigen, sondern hat durchaus handfeste Gründe: Vor allem bewegliche Maschinenteile aus Leichtbaumaterialien, wobei der Fokus auf CFK liegt, können mit den üblichen Antrieben schneller und dynamischer bewegt werden, was die Maschine produktiver macht, oder es können kleinere Motoren für dieselben Bewegungsmerkmale genutzt werden, wie sie bei der üblichen Maschinenkonstruktion erreicht werden. Das hilft natürlich beim Energiesparen. Nicht zuletzt leiden Maschinenteile aus Composites (beispielsweise in einem Fräszentrum eingesetzt) weit weniger unter dem Effekt der thermischen Ausdehnung und ändern deshalb ihr Verhalten bei steigenden Temperaturen während des Bearbeitungsprozesses kaum – die Maschine arbeitet damit präzisionsmäßig in einem weiten Temperaturbereich stabil, ohne dass Qualitätseinbußen am Bauteil zu befürchten sind. Das vermeidet Ausschuss oder Nacharbeit – besonders bei der Einzelfertigung komplexer Teile.

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Konstrukteure müssen „in Composites“ zu denken lernen

Prof. Dr. Helmut Schürmann von der TU Darmstadt zählte noch einen weiteren Vorteil dazu: CFK dämpft Schwingungen so gut, dass Maschinenbauer zum Beispiel Traversen oder lange Schienen viel länger bauen können, ohne dass die Eigenfrequenz des Bauteils erreicht wird. Reine CFK-Teile sieht Schürmann jedoch wegen des hohen Preises noch in weiter Ferne. Einfache Profile wie Wellen oder Rohre könnten jedoch günstig hergestellt und mittels Stahl- oder Aluminiumschnittstellen in die Maschine implementiert werden. Jedoch verursache die sichere und ermüdungsfreie Krafteinleitung zwischen FVK und Metallteilen gewisse Schwierigkeiten. Weil Composites eine noch relativ junge Werkstoffgruppe sind, plädiert der Professor außerdem dafür, die Ausbildung von fachspezifischen Konstrukteuren zu fördern.

„Das ganze FVK-Potenzial kann konstruktiv nur der für eine spezielle Anwendung herausholen, der ,in Composites' denken kann“, äußerte Schürmann dazu. Was im Idealfall damit zu erreichen ist, veranschaulichte er durch den Vergleich zwischen der komplizierten Rotornabe eines klassischen Hubschraubers mit Steuerstangen, Schrauben und unzähligen anderen beweglichen Metallkomponenten und der aus nur wenigen Teilen aufgebauten Technik im Eurocopter: Flugbewegungen werden dabei etwa nicht über Steuerstangen, sondern durch elastische Verformung der Compositeteile eingeleitet. Darüber hinaus gibt es derzeit noch Mängel bei der Vorhersage des Impaktverhaltens, der Dämpfung und des Materialermüdungsverlaufs mithilfe von Simulationsmöglichkeiten, wie Schürmann ergänzte.

Dr. Markus Lang von Voith Composites brachte es auf den Punkt: Bevor ein Unternehmen bewährte Komponenten durch solche aus FVK ersetzt, sollte man den Kosten-Nutzen-Wert genau untersuchen. Zwar seien leichte Strukturen, die auch noch steif und fest sind, auch für Maschinenbauer interessant, doch seien Korrosionsbeständigkeit, geringe Wärmeausdehnung, Integration „intelligenter“ Funktionen und Abrasionsfestigkeit weitere Vorteile, die Composites ins Spiel brächten.

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