Leicht und fest

CFK-Zylinder ermöglichen Leichtbauweise in der Hydraulik aufgrund eines hohen Stellkraft-Gewichtsverhältnisses. Mit der Markteinführung von Leichtbau-Hydraulikzylindern aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) im April 1996 ist es erstmalig erfolgreich gelungen, einen wesentlichen Beitrag zur Gewichtsreduzierung hydraulischer Komponenten zu leisten. Diese patentierte, vom Niedersächsischen Wirtschaftsministerium geförderte und mit mehreren Innovationspreisen ausgezeichnete Technik des Unternehmens Lingk & Sturzebecher (L&S), Stuhr bei Bremen, hat in einer breiten Palette verschiedener Anwendungen ihre Serienreife bewiesen.

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CFK-Zylinder ermöglichen Leichtbauweise in der Hydraulik aufgrund eines hohen Stellkraft-GewichtsverhältnissesMit der Markteinführung von Leichtbau-Hydraulikzylindern aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) im April 1996 ist es erstmalig erfolgreich gelungen, einen wesentlichen Beitrag zur Gewichtsreduzierung hydraulischer Komponenten zu leisten. Diese patentierte, vom Niedersächsischen Wirtschaftsministerium geförderte und mit mehreren Innovationspreisen ausgezeichnete Technik des Unternehmens Lingk & Sturzebecher (L&S), Stuhr bei Bremen, hat in einer breiten Palette verschiedener Anwendungen ihre Serienreife bewiesen.Nationale und internationale Kunden aus unterschiedlichen Bereichen der Mobilhydraulik setzen die Gewichtsersparnis von bis zu 70% gegenüber herkömmlichen metallischen Hydraulikzylindern in wirtschaftliche Vorteile um (Bilder 1 bis 5). Sowohl in der Großindustrie als auch in klein- oder mittelständischen Unternehmen erschließen die CFK-Zylinder stets neue Anwendungsgebiete und eröffnen Möglichkeiten zur Entwicklung von neuen leistungsfähigeren Anlagen, Maschinen und Fahrzeugen. Hierfür werden von L&S bekanntlich neben den CFK-Zylindern auch überwiegend die kompletten hydraulischen Anlagen konzipiert und hergestellt.CFK-Zylinder haben vielfältige EinsatzgebietePrädestiniert sind die ultraleichten Zylinder für alle Einsatzbereiche, bei denen geringere mitbewegte Massen entsprechende Leistungssteigerungen und damit höhere Wirtschaftlichkeiten der Anlagen oder Systeme bedeuten. Zu den heutigen Einsatzgebieten der CFK-Zylinder zählen unter anderem:- Baufahrzeuge,- Hubbühnen,- Luftfahrtgeräte,- Schiffe,- tragbare Spannsysteme,- Roboter,- Pressen.Bei den mobilen Arbeitsmaschinen, wie etwa Betonpumpen, Hubarbeitsbühnen, Krane oder Bagger, führt die Verwendung von Leichtbauzylindern zur Erhöhung der Reichweiten oder Reichhöhen bei gleichzeitig einzuhaltenden, vom Gesetzgeber vorgeschriebenen, maximalen Achslasten und Gesamtgewichten. In der Handhabungstechnik, beispielsweise Robotik, ermöglicht der Einsatz von CFK-Zylindern außer der verbesserten Dynamik auch schlankere und damit kostengünstigere Tragstrukturen. Geringeres Gewicht erleichtert die HandhabungAusgeführt als tragbare CFK-Werkzeugzylinder für beispielsweise Hoch- und Tiefbauanwendungen, gestattet der sehr deutliche Gewichtsvorteil im Vergleich zu konventionellen Zylindern den Verzicht von Hebezeugen bei gleichzeitiger Reduzierung der körperlichen Belastung des Bedienpersonals. Nur 19 kg wiegt etwa ein CFK-Hohlkolbenzylinder mit 200 mm Hub und 1000 kN Druckkraft; im Unterschied dazu beträgt die Masse eines vergleichbaren Stahlzylinders zwischen 70 und 90 kg.Die CFK-Zylinder unterscheiden sich sehr wesentlich von den bislang üblichen Hydro-Zylindern aus Stahllegierungen durch außergewöhnlich geringes Gewicht und durch Hochdruckfähigkeit (700 bar und mehr) bei vergleichsweise sehr kompakter Bauweise. Dadurch verfügt der Leichtbauzylinder über ein ausgesprochen großes Stellkraft-Gewichtsverhältnis, das herkömmliche Zylinder in Stahlbauweise bei weitem nicht erreichen können. Auch die von CFK-Zylindern erzielbare Kraftdichte ist mit Stahlzylindern nicht zu verwirklichen. So wurden beispielsweise für eine Hochdruckpresse CFK-Zylinder gefertigt, die aufgrund von zulässigen geringen Wanddicken auf einer Stellfläche von nur etwa einem halben Quadratmeter eine Gesamtkraft von 20 MN erzeugen. Ein wesentliches Kennzeichen der CFK-Zylinder sind die außen liegenden Zuganker und das ultraleichte Mehrschicht-Verbundrohr aus CFK mit einem sehr dünnwandigen metallischen Innenliner, der als Ölsperre und Lauffläche der Kolbendichtung dient und als Verschleißteil ausgetauscht werden kann. Diese Bauweise ist somit montage- und wartungsfreundlich und ermöglicht eine maßgeschneiderte Leichtbaustruktur durch beanspruchungsgerechten Aufbau. Bei metallischen Zylindern beschränkt sich die Zugankerbauform weitgehend auf dünnwandige Ausführungen im Niederdruckbereich. Typische Anwendungen sind Pneumatikzylinder mit einem Betriebsdruck bis etwa 10 bar. Vorteile der Zugankerlässt sich voll ausschöpfenBei höheren Betriebsdrücken und damit größeren Wanddicken des Metallzylinders wird in der Praxis auf andere Verbindungsarten zurückgegriffen, weil das Zugstangen-Prinzip aus technischer und wirtschaftlicher Sicht nicht mehr sinnvoll ist. Im Gegensatz dazu können bei CFK-Zylindern die richtungsabhängigen Festigkeiten den ebenso richtungsabhängigen Belastungen optimal angepasst und damit die Vorteile der Zugankerbauform voll ausschöpft werden. Das spezifische Gewicht von CFK beträgt nur etwa 20% der Dichte von Stahl bei gleichzeitig deutlich höheren Festigkeits- und Steifigkeitskennwerten. Diese Leichtbau-Eigenschaften, die abhängig von der schichtweisen Faserorientierung sind, bilden die Basis für Gewichtseinsparungen, die zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt seit vielen Jahren vorteilhaft ausgenutzt werden. Zum Schutz des CFK-Zylinderrohres gegen äußere Einwirkung kann auf einfache Weise ein Schlagschutz, etwa aus aramidfaserverstärktem Kunststoff, aufgebracht werden. Die Eigenschaft der Korrosionsbeständigkeit sämtlicher Bauteile ermöglicht dem CFK-Zylinder auch den Einsatz in aggressiver Umgebung sowie insbesondere in der Wasserhydraulik als zukunftsweisenden Anwendungsbereich mit erheblichem Potential.Große Bandbreite bei den BaugrößenDie CFK-Zylinder werden als Differential-, Gleichgang- oder Hohlkolbenzylinder in eher kleineren Serien oder sogar mit Stückzahl ,,1" hergestellt. Die kleinsten bisher bei L&S gefertigten CFK-Zylinder sind in Rettungshubschraubern eingesetzt und haben einen Kolbendurchmesser von 30 mm bei einem Hub von 80 mm. Die größten CFK-Zylinder haben einen Kolbendurchmesser von etwa 300 mm und einen Hub von über 4000 mm und werden im Bauwesen benötigt. Der bislang gewünschte maximale Druckbereich beträgt 2000 bar bei CFK-Kolbenspeichern. Der gewöhnliche Betriebsdruck von CFK-Zylindern liegt bedingt durch die Hydro-Aggregate bei den meisten Anwendungen jedoch im Bereich von 300 bis 700 bar. Im Rahmen der laufenden Qualitätskontrolle und der stetigen Fortentwicklung der CFK-Leichtbauzylinder wurden und werden verschiedenartige Versuche etwa hinsichtlich Dauerfestigkeits-, Stabilitäts- und Druckverhalten durchgeführt. Hierzu werden sowohl eigene Prüfvorrichtungen herangezogen als auch gemeinsam mit dem Kunden entsprechende Feldversuche unter Praxisbedingungen unternommen. Mit Bezug auf die Baumaschinenindustrie werden diese Untersuchungen sowie weitere Maßnahmen zu Gewichtsreduzierungen einzel-ner Komponenten und ganzer Strukturen in dem vom BMBF geförderten Verbundvorhaben ,,Ultra-Leichtbau bei mobilen Arbeitsmaschinen (ULMA)" mit Erfolg durchgeführt.

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