CFK-Maschinenelemente Hydraulikzylinder aus CFK machen Maschinen mobiler

Autor / Redakteur: Jörg Beyer / Peter Königsreuther

Seit einiger Zeit erkennen auch Maschinenbauer das Potenzial von carbonfaserverstärkten Komponenten für ihre Produkte. Nun zeigt ein Hydraulikspezialist, welches Vorteilsspektrum der Einsatz von CFK-Zylindern für die Anwender mit sich bringen kann.

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H-CFK heißt ein neuartiger Werkstoffmix auf Basis carbonfaserverstärkten Kunststoffs, mit dem jetzt besonders leichte Hydraulikkomponenten hergestellt werden können.
H-CFK heißt ein neuartiger Werkstoffmix auf Basis carbonfaserverstärkten Kunststoffs, mit dem jetzt besonders leichte Hydraulikkomponenten hergestellt werden können.
(Bild: Hänchen)

Mit Hydraulikzylindern aus dem neu entwickelten, CFK-basierten Werkstoff namens H-CFK geht die Herbert Hänchen GmbH & Co. KG technologisch gesehen nun ganz neue Wege und stößt damit Türen auf, die den Weg auf weitere Märkte freigeben. H-CFK ist ein von Hänchen selbst entwickeltes, hoch belastbares Verbundmaterial aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) und weiteren Komponenten, veredelt zu einem ganz besonderen Werkstoff.

Dieser hat entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbundstoffen: Die von Hänchen selbst entwickelte Technik zum Aufbau des Verbunds zu einer hochfesten Verbindung von Metall und CFK ermöglicht eine außergewöhnliche Festigkeit der so erzeugten Werkstücke.

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Die H-CFK-Hydraulikzylinder sind bis zu 80 % leichter, wesentlich biegesteifer und dehnungsärmer sowie korrosionsbeständig und amagnetisch. Sie verbrauchen in bestimmten Fällen und im Vergleich zur Metallvariante nur etwa die Hälfte an Energie. Sie erschließen weitere Einsatzdimensionen und eignen sich nicht nur für mobile oder stationäre hydraulische Applikationen oder Testanwendungen, sondern auch für ganz neue Anwendungsfelder.

Das H-CFK-Produktprogramm wird nun weiter ausgebaut

In welchen Bereichen der Einsatz von H-CFK denkbar ist, haben die Reaktionen am Markt gezeigt: Zahlreiche Projekte und Ideen kommen aus den unterschiedlichsten Branchen, unter anderem für den Bau von Yachten, von mobilen Anwendungen wie Kranen, Landmaschinen, Arbeitsbühnen, aus der Feuerwehrtechnik oder dem Motorsport. Ebenso geht es um Einsätze in tragbaren Geräten, im Sondermaschinen- und Anlagenbau, für Test- und Prüfeinrichtungen. Hänchen wird die neu entwickelten Technologien für neue Anwendungen weiter ausbauen und ein Produktprogramm für runde, längliche Bauteile aus H-CFK anbieten. Diese sollen in Einzel- und Kleinserien verfügbar sein.

Dabei handelt es sich um Stangen mit metallischen Enden sowie um druckdichte und druckfeste Rohre mit Befestigungselementen. Die nötigen Kolbenstangen aus H-CFK für den Prüfbereich können jetzt außerdem im Produktkonfigurator „Häko“ über den Einstieg „Prüf-Zylinder Baureihe 320“ ausgewählt werden. Der Häko ist einfach über die Hänchen-Website erreichbar. Die H-CFK-Kolbenstangen sind in den Berechnungstools im Häko vollständig eingebunden, um eine statische und dynamische Zylinderauslegung einschließlich der Beurteilung von zulässigen Querkräften und Kolbenstangenmassen zu ermöglichen.

Werkstoff H-CFK mit Innovationspreis ausgezeichnet

H-CFK wurde im November mit dem ersten Platz beim Innovationspreis 2015 des Landkreises Esslingen ausgezeichnet. Besonders gewürdigt wurden:

  • Die Fertigung runder, in drei Dimensionen hoch belastbarer Bauteile mit einem anisotropen Werkstoff. Dazu muss CFK für die jeweilige Anforderung designt und je nach gewünschter Festigkeit der Bauteile und Biegesteifigkeit die Lage, Anzahl und Art der Carbonfasern definiert werden. Hänchen erforschte deshalb eigene Berechnungsmodelle ebenso wie ein geeignetes Produktionsverfahren, entwickelte und baute die erforderlichen Maschinen.
  • Die hochfeste Verbindung zwischen CFK und Metall, da für die Montage von H-CFK oft metallische Enden nötig sind. Denn in ein Carbonbauteil lassen sich keine kraftübertragenden Gewinde oder Bohrungen einbringen. Bei Hänchen wird das Metallstück in einem eigens entwickelten Verfahren bei der Produktion der Stange mit eingebunden, da konventionell geklebte Verbindungen den sehr hohen Belastungen in der Hydraulik nicht standhalten.
  • Die harte, dichte und verschleißfeste Oberfläche, da der Grundwerkstoff für eine mechanische Feinbearbeitung nur bedingt geeignet ist. Diese wird bei der Produktion von H-CFK eingebracht und damit der Carbongrundkörper versiegelt.

Störungsfreier Betrieb durch antimagnetische Eigenschaften

Wegen der besonderen Werkstoffeigenschaften folgte im Anschluss an die Markteinführung auf der Hannover-Messe 2015 eine rege Nachfrage nach H-CFK-Komponenten. Hänchen wechselte deshalb von der Prototypenfertigung hin zu einer eigenständigen H-CFK-Fertigung am Standort Ostfildern. Dort entstehen beispielsweise Zylinder für eine Produktionsmaschine mit starken elektromagnetischen Feldern. Als antimagnetisches Material garantiert der neue Werkstoff einen störungsfreien Prozess sowie einen verschleißfreien Betrieb für eine Kolbenstange, die in das Magnetfeld ein- und aus ihm ausfährt. Ein weiteres Beispiel: In einem Fahrzeugprüfstand kommen Rollen aus H-CFK zum Einsatz, die bei einer Breite von 500 mm und 250 mm Durchmesser eine Drehzahl von 3000 min-1 erreichen können. Die deutlich geringere Masse der H-CFK-Rollen hat zur Optimierung des Prüfstands beigetragen – ihn prinzipiell neu erfunden.

Temperaturunhabhängige Messtechnik-Helfer

Das heißt, die Forschung im Bereich H-CFK geht weiter: Belastbarkeit und hohe Drücke fordern die Entwickler dabei ebenso heraus, wie der Wunsch größere Abmessungen bei den Komponenten zu realisieren. Auch die Beschichtungstechnik bietet geeignete Möglichkeiten, um die Kolbenstangen als Alternative zur Verchromung mit anderen Mitteln zu behandeln. Für die Messtechnik sind die temperaturunabhängigen Eigenschaften der H-CFK-Technik ein großes Plus in Bezug auf Genauigkeit: Ein H-CFK-Stab mit speziellem Wickelaufbau mit Glasmaßstab als Wegaufnehmer ist bereits im Einsatz. Er wurde als spezielles Maschinenelement, als Stange mit Gewinden an beiden Enden, von Hänchen entwickelt. Weitere Neukonstruktionen sind etwa Biege- und Anlenkstangen aus H-CFK für Prüflinge.

Neue Ideen von Konstrukteuren und Einkäufern will man erfüllen

„Als Entwickler und Hersteller eines neuen Werkstoffs müssen wir unser Denken von Grund auf ändern“, betont die Marketingleiterin Sarah Bässler. „Wir möchten Konstrukteure und Einkäufer einladen, mit ihren Anforderungen zu uns zu kommen. Die Antwort kann durchaus lauten: Das ist zwar etwas ganz Neues, aber wir können es entwickeln und herstellen.“

Parallel dazu weitet man das Produktprogramm systematisch aus, indem konkrete Anforderungen für neue Einsatzfelder definiert werden. Nicht selten gibt es Berührungspunkte mit den individuellen Maschinenelementen des Unternehmens, die als Einzelstück oder Kleinstserien nach konkreten Kundenvorgaben konstruiert und gefertigt werden. Auch bei den Ratio-Drive-Projekten (komplette hydraulische und elektrische Antriebssysteme) bietet H-CFK neue Möglichkeiten, um noch kompaktere, leichtere und energieeffizientere Antriebe zu konstruieren. MM

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