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Chancen für den Maschinenbau durch den Einsatz von Carbon Komponenten

by Armin Rosenmaier

Unternehmen sind aufgrund der wachsenden nationalen und internationalen Konkurrenz dazu gezwungen Maßnahmen zur Stärkung ihrer Wettbewerbsfähigkeit zu ergreifen. Insbesondere der flexiblen und schnellen Erfüllung von Kundenwünschen wird demnach immer mehr Beachtung zu teil. Speziell für produzierende Gewerbe wird dies immer mehr zur Herausforderung. Um sich einen Vorteil verschaffen zu können, ist es für diese daher wichtig aktuelle Entwicklungen und Trends zu verfolgen und wenn möglich darauf aufzuspringen.

TransportroboterAbbildung 1: Autonome Plattform mit Leichtbauroboter (© KUKA Group)

Zur Gewährleistung dessen, ergeben sich auch im Maschinenbau ständig neue Anforderungen. Vor allem das Thema Leichtbau spielt dabei immer wieder eine große Rolle. Während der Leichtbau in der Luftfahrt und der Automobilindustrie bereits schon längere Zeit an der Tagesordnung steht, wird er im Maschinenbau etwas  verhaltener berücksichtigt. Durch den Einsatz von leichten und hochfesten Stoffen, wie Carbon, ergeben sich jedoch auch in dieser Branche komplett neue Möglichkeiten.

Inhaltsverzeichnis:
1. Das Bedürfnis nach Leichtbau im Maschinenbau  
2. Hemmnisse des Maschinenbaus gegenüber dem Einsatz von Leichtbau
3. Was spricht für den Einsatz von Carbon im Maschinenbau?
4. Anwendungsbeispiele von Carbon im Maschinenbau
5. Fazit

Das Bedürfnis nach Leichtbau im Maschinenbau

Nur selten verlangen Kunden im Maschinenbau nach einem gezielten Einsatz von Leichtbaukomponenten. Viel eher fordern Kunden Verbesserung in Sachen Leistung, Ausstattung und Betrieb von Maschinen. Doch genau durch die Verwendung von leichten Werkstoffen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften lassen sich diese Anforderungen in die Realität umsetzen. Einer dieser Werkstoffe ist Carbon. Aufgrund zahlreicher positiver Merkmale ist er ein adäquater Anwärter für leistungssteigernde Anwendungen im Maschinenbau. Zunehmend werden sich diese Merkmale nun auch zunutze gemacht. Jedoch stehen viele Maschinenbauer dem Einsatz von Leichtbaulösungen noch kritisch gegenüber. Folgend wird beschrieben warum das so ist und wie diese Hemmnisse überwunden werden können.

Maschinenbau-CFK-1Abbildung 2:  CFK Maschinenbauteil

Hemmnisse des Maschinenbaus gegenüber dem Einsatz von Leichtbau

Der Grund für die eher zurückhaltende Anwendung von Leichtbau im Maschinenbau ist oftmals das Bestehen von Wissenslücken, wie auch das Fehlen von Erfahrung auf diesem Gebiet. Darum kommen hierbei eher noch herkömmliche und bewährte Technologien zum Einsatz. Zudem ist der Maschinenbau sehr stark auf den Einsatz von Metallen fixiert. Die Anwendung  von innovativen Alternativmaterialien ist demnach eine große Herausforderung, welche auch nicht ganz so einfach überwunden werden kann. Genauso werden Kosten- und Zeitdruck des Öfteren als Gründe genannt, welche eine Umstellung auf gezielte Leichtbauanwendungen verhindern. Das oberste Ziel ist es deswegen vermehrt Bewusstsein für alternative Materiallösungen zu schaffen. Dementsprechend ist es auch uns, als Anbieter von Leichtbaulösungen aus Faserverbundwerkstoffen, ein Anliegen jenes Bewusstsein zu schärfen. Dieser Artikel sollte demnach einen komprimierten Überblick der  Potentiale durch den Einsatz von Carbon im Maschinenbau liefern. Für nähere Informationen stehen wir Ihnen gerne auch für persönliche Gespräche zur Verfügung.

Was spricht für den Einsatz von Carbon im Maschinenbau?

Carbon weist aufgrund seiner spezifischen Materialeigenschaften ein enormes Potential im Maschinenbau auf. Durch den Einsatz des innovativen Werkstoffes lässt sich beispielsweise die Lebensdauer von Anlagen verlängern, die Prozessqualität verbessern, wie auch Energie einsparen. Die wesentlichen Vorteile des Einsatzes von Carbon werden in Folge beschrieben.

Steigerung der Energieeffizienz

Das vermutlich bekannteste Merkmal von CFK ist, dass es bei sehr geringem Gewicht eine verhältnismäßig hohe Steifigkeit und Festigkeit besitzt. Legt man die Faserrichtung bei CFK-Komponenten passend, entsprechend der angreifenden Kräfte aus, so lassen sich problemlos Gewichtseinsparungen bis zu 50% erzielen. Erfolgt die Krafteinwirkung primär aus einer Richtung, so kann die Gewichtsreduktion sogar bis zu 80% betragen. Das spiegelt sich in einer geringeren Belastung der Antriebselemente wider und bietet somit das Potential zur Verlängerung der Laufzeit/Lebensdauer und der Wartungsintervalle dieser Komponenten, wie auch zur Senkung des Energieverbrauches der Anlage.

Leichtbaukomponenten-1Abbildung 3:  Leichtbau Konstrukt (CFK & GFK) für die Industrie

Erhöhung der Prozessdynamik

Eine weitere hilfreiche Eigenschaft von Carbon ist seine hohe Schwingfestigkeit. Die Eliminierung von Schwingungen ist ein außerordentlich wichtiger Aspekt bei der Optimierung von Maschinen.  Durch Schwingungen wird die Dynamik eines Prozesses stark eingeschränkt. Zusätzlich erhöhen sie die Abnutzung von Anlagen- und Maschinenkomponenten und verfälschen somit die Prozessergebnisse. Durch den gezielten Einsatz von CFK lassen sich solche Schwingungen weitestgehend vermeiden. Das wiederum macht sich in der Erhöhung der Bearbeitungsqualität, sowie der Erhöhung der Lebensdauer der Maschine bemerkbar.

Des Weiteren trägt die Minimierung der Massenträgheit bewegter Maschinenstrukturen, wie in etwa von Achsen, Schlitten, Portalen, Greifern, Werkzeugen, Wechselsystemen oder Ähnlichen zu einer Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit bei. Leichtbau-Maschinenkomponenten mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten, wie Spannfutter, Spindeln oder Wellen ermöglichen zudem geringere Anlauf- und Abbremszeiten.

Carbon-RIG-OffshoreAbbildung 4: Leichte Maschinenbauelemente aus Carbon für Offshore Plattformen

Geringe Wärmeausdehnung

Viele Maschinen und Anlagen sind entsprechend ihrer Technologien schwankenden Temperaturen ausgesetzt. Das führt im Falle von Maschinenkomponenten aus Metall zu Wärmeausdehnungen. Durch die Maßveränderung kann diese Wärmeausdehnung unter anderem Einfluss auf die Prozessqualität nehmen und sich wiederrum in einem ungenauen Bearbeitungsergebnis abzeichnen. Die Wärmeausdehnung von CFK hingegen ist ohnehin sehr gering und kann  bei ausreichend Know-How zudem auch noch über den Faserwinkel eingestellt werden. Dahingehend sind Maschinenkomponenten aus Carbon unempfindlich gegenüber zeitlicher Temperaturveränderungen und ungleichmäßiger Temperaturverteilungen. Die Geometrie der CFK-Komponenten bleibt daher unverändert und erhöht so die Präzision im Betrieb.

AbgassystemAbbildung 5: Abgassystem mit spezieller Formgebung und geringster Wärmeausdehnung

Medienbeständigkeit

Bei vielen Maschinen und Anlagen werden zur Verbesserung der Laufleistung, sowie zur Erhöhung der Lebensdauer unterschiedlichste Flüssigkeiten und Medien hinzu geführt. Je nach Technologie und Verfahren kann es sich dabei um mehr oder weniger aggressive Medien handeln. Aus diesem Grund muss im Maschinenbau exakt auf die Materialwahl geachtet werden, um Schäden durch die Einwirkung jener Medien vermeiden zu können. Bezugnehmend auf diese Herausforderung glänzt CFK mit seiner hohen Medienbeständigkeit. Diese hervorragende chemische Eigenschaft macht den Werkstoff somit unempfindlich gegenüber starken Lösemitteln, Kühlmitteln, Schmiermitteln oder Ähnlichen Substanzen.

Carbon-PharmaAbbildung 6: Komponenten aus CFK zur Gewichtseinsparung in der Pharmaindustrie  

Vereinfachtes Handling

Carbon ist um rund 50% leichter als Aluminium und um ca. 80% leichter als Stahl. Die Gewichtseinsparung durch den Einsatz von Carbon ermöglicht ein erleichtertes Handling der Leichtbaukomponenten bzw. -maschinen. Der Transport der Maschinen wird somit wesentlich vereinfacht. Auch bei Umrüstungen, Wartungen oder Ähnlichem kann mit einzelnen Leichtbaumaschinen/-komponenten viel leichter hantiert werden, was auch den Vorteil einer verminderten Belastung des zuständigen Personals zur Folge hat. Zudem wird weniger Personal zur Manipulation der Maschinen/Komponenten benötigt.

Zusätzliche Effizienz in der Bauraumnutzung von Maschinen

Aufgrund des Herstellungsverfahrens von Carbon-Komponenten bieten sich enorme Freiheiten in der Konstruktion und dem Design an. Von der Luftfahrt- und der Motorsport-Industrie seit Jahrzehnten verinnerlicht, hält diese Erkenntnis nun auch vermehrt im Maschinenbau Einzug. Denn im Gegensatz zu klassischen Fertigungsverfahren und Materialien sind komplexe Geometrien wie Hinterschneidungen mit Faserverbundtechnologie vergleichsweise einfach zu realisieren. Beschränkungen durch Einhaltung von Biegeradien oder Wandstärken werden bei der Arbeit mit Carbon ebenso wenig zum Problem, wie der Zwang zur Anwendung von Rippenkonstruktionen.

Durch die vergleichsweise einfach herzustellenden Freiformgeometrien können Maschinenbauräume somit effizienter gestaltet werden und gleichzeitig neuen Bauraum schaffen, da durch die Leichtbauanwendungen periphere Antriebselemente häufig kleiner dimensioniert werden können.

Anwendungsbeispiele von Carbon im Maschinenbau

Carbon kann für verschiedenste Anwendungen im Maschinenbau eingesetzt werden und somit viele der zuvor beschriebenen Vorteile mit sich bringen. Folgend werden etwaige Anwendungsbeispiele gelistet:

  • Geräteträger
  • Windkanal Bauteile
  • Werkzeugträger
  • Rigs
  • Laufschaufeln
  • Maschinentische
  • Maschinenverkleidungen und -gehäuse
  • Roboterarme und –komponenten
  • Verfahrportale
  • Gestellbauteile
  • usw.

carbon-rohrAbbildung 7: Pipeline für ein säurehaltiges Medium (Carbon)

Fazit

Kunden fordern im Bereich des Maschinenbaus kontinuierlich Verbesserung in Sachen Leistung, Ausstattung und Betrieb von Anlagen. Durch Leichtbaulösungen lassen sich diese Anforderungen auch in die Realität umsetzen. Dazu müssen alternative Materiallösungen forciert werden. Ein Werkstoff, welcher für den Leichtbau steht, ist Carbon. Aufgrund seiner zahlreichen positiven Eigenschaften ist er ein adäquater Anwärter für leistungssteigernde Leichtbauanwendungen im Maschinenbau. Um das Material jedoch zunehmend in den „metallaffinen“ Maschinenbau integrieren zu können, muss erst Bewusstsein über dessen Vorzüge bei Maschinenkonstrukteuren und –entwicklern geschaffen werden. Durch Eigenschaften, wie einer hohen Steifigkeit und Festigkeit bei geringstem Gewicht, einer hervorragenden Medienbeständigkeit, wie auch einer geringen bzw. einstellbaren Wärmeausdehnung lässt sich die Lebensdauer von Anlagen erhöhen, die Prozessqualität verbessern, wie auch Energie einsparen. Somit lassen sich neue und effiziente Lösungsansätze im Maschinenbau effizient realisieren.

carbontechnik maschinenbau

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Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

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