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Effizientere industrielle Anlagen durch Carbon Composites

by Armin Rosenmaier

Konkrete Anforderungen, die auf einen Bedarf nach Leichtbaulösungen schließen lassen, kommen im herkömmlichen industriellen Anlagenbau nur selten vor. Vielmehr fordern Kunden Verbesserungen in Sachen Leistung, Ausstattung oder auch dem Betrieb von Maschinen. Die hervorragenden Eigenschaften von klassischen Leichtbauwerkstoffen, wie Carbon, können die Lebensdauer diverser Anlagenkomponenten verlängern und so die Energieeffizienz steigern. In diesem Beitrag beschreiben wir die wesentlichen Vorteile von Leichtbaulösungen für den industriellen Bedarf, wie Hersteller und Kunden dadurch ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern können und beantworten die Frage, warum viele Hersteller industrieller Anlagen solchen Lösungen noch skeptisch gegenüber stehen.

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

Unternehmen sind aufgrund der wachsenden nationalen und internatonalen Konkurrenz dazu gezwungen Maßnahmen zur Stärkung ihrer Wettbewerbsfähigkeit zu ergreifen. Insbesondere die flexible und schnelle Erfüllung von Kundenwünschen spielt dabei eine wesentliche Rolle. Speziell für das produzierende Gewerbe wird dies immer mehr zur Herausforderung. Lange etablierte Herangehensweisen erfüllen oftmals nicht mehr (alle) Anforderungen an moderne Lösungen. Durch den Einsatz von leichten und hochfesten Werkstoffen, wie Carbon, ergeben sich jedoch auch in dieser Branche neue Möglichkeiten und Lösungen.

Inhaltsverzeichnis:

  1. Anforderungen im Anlagenbau  
  2. Hemmnisse von Herstellern gegenüber dem Einsatz von Leichtbau
  3. Vorteile von Leichtbaulösungen für industrielle Anlagen
  4. Mögliche Anwendungsbeispiele
  5. Fazit

Anforderungen im Anlagenbau

Nur selten verlangen Kunden im Anlagenbau nach dem gezielten Einsatz von Leichtbaukomponenten. Viel eher fordern Kunden Verbesserung in Sachen Leistung, Ausstattung und Betrieb von Maschinen aber auch gesteigerte Energieeffizienz oder ein ökologischerer Betrieb der Anlage sind oft Bestandteil des Anforderungsprofils.

Durch die Verwendung von leichten Werkstoffen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften lassen sich diese Anforderungen in die Realität umsetzen. Auf der Suche nach passenden Werkstoffen bieten sich hierfür Faserverbundstoffe, wie Carbon an.  Die spezifischen Eigenschaften hinsichtlich Gewicht, Steifigkeit aber auch Wärmeausdehnungen machen Carbon im Zuge der Werkstoffauswahl äußerst interessant, um den gesteigerten Anforderungen gerecht zu werden.

Dennoch stehen viele Anlagenbauer dem Einsatz von Leichtbaulösungen noch kritisch gegenüber. Woher die kritische Haltung gegenüber Leichtbaulösungen rührt und warum diese verständlich aber unberechtigt ist, erklären wir im folgenden Abschnitt.

Maschinenbau-CFK-1Abbildung 2:  CFK Verkleidungsteil für industrielle Anlage

Hemmnisse von Herstellern gegenüber dem Einsatz von Leichtbau

Der Grund für die eher zurückhaltende Anwendung von Leichtbau in der Fertigung industrieller Anlagen ist oftmals das Bestehen von Wissenslücken, wie auch die mangelnde Erfahrung im Bezug auf Leichtbaukomponenten aus Faserverbundwerkstoffen. Bereits im Engineering müssen die Komponenten faserverbundgerecht ausgelegt werden um alle Vorteile des Werkstoffs ausnutzen zu können. Das fehlende Know-How in diesem Bereich stellt oft ein Problem dar. Es liegt daher nahe, auf  herkömmliche und bewährte Technologien zurückzugreifen. Zudem ist der klassische Anlagenbau sehr stark auf den Einsatz von Metallen fixiert. Die Anwendung  von innovativen, neuartigen Werkstoffen ist demnach eine große Herausforderung, welche auch mangels Referenz- und Erfahrungswerten nicht ganz so einfach überwunden werden kann. Weiters werden Kosten- und Zeitdruck öfters als Grund genannt, welche eine Umstellung auf gezielte Leichtbauanwendungen verhindern.

Abhilfe schaffen hier erfahrene Produktionspartner die schon in frühen Entwicklungsphasen an Bord geholt werden. So können Fertigungsprobleme schon in frühen Projektphasen verhindert und optimale Lösungen entwickelt werden.

Vorteile von Leichtbaulösungen für industrielle Anlagen

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

Steigerung der Energieeffizienz

Das vermutlich bekannteste Merkmal von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (kurz 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 Anlagenelemente aus Carbon für Offshore Plattformen

Geringe Wärmeausdehnung

Viele Maschinen und Anlagen sind entsprechend ihrer Technologien schwankenden Temperaturen ausgesetzt. Dies führt im Falle von Maschinenkomponenten aus Metall unweigerlich zu Wärmeausdehnungen. Durch die Maßveränderung kann diese Wärmeausdehnung unter anderem Einfluss auf die Prozessqualität nehmen und sich wiederum in einem ungenauen Bearbeitungsergebnis abzeichnen. Die Wärmeausdehnung von Carbon 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 zugeführt. Je nach Technologie und Verfahren kann es sich dabei um mehr oder weniger aggressive Medien handeln. Aus diesem Grund muss im Anlagenbau 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, Säuren oder ähnlichen Substanzen.

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

Vereinfachtes Handling

Komponenten aus Carbon sind um rund 50% leichter als vergleichbare Lösungen aus Aluminium und sogar um ca. 80% leichter als Komponenten aus Stahl. Die Gewichtseinsparung durch den Einsatz von Carbon ermöglicht ein erleichtertes Handling der Komponenten bzw. Maschinen. Dadurch wird Transport der Maschinen  somit wesentlich vereinfacht, aber auch im Zuge des Umrüstens, von Wartungen oder ähnlichem kann mit einzelnen Leichtbaumaschinen oder Leichtbaukomponenten einfacher hantiert werden, was auch eine verminderten Belastung des zuständigen Personals zur Folge hat und somit auch zur Prozessbeschleunigung führt. Zudem wird weniger Personal zur Manipulation der Maschinen oder Komponenten benötigt.

Zusätzliche Effizienz in der Bauraumnutzung von Maschinen

Aufgrund des Herstellungsverfahrens von Carbon-Komponenten können auch anspruchsvolle Konstruktion oder Designs umgesetzt werden. Die sich daraus ergebenden Freiheiten wurden in der Luftfahrt aber auch dem Motorsport schon vor Jahrzehnten verinnerlicht und finden nun auch vermehrt im industriellen Anlagenbau Einzug. 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.

Mögliche Anwendungsbeispiele

Carbon kann für verschiedenste Anwendungen in der Fertigung industrieller Anlagen eingesetzt werden. Je nach Anwendungsfall können einzelne, mehrere oder alle der oben beschrieben Vorteile somit direkt oder indirekt genutzt werden. Einige Anwendungsbeispiele sind unter anderem:

  • Geräteträger
  • Rohrsysteme für Luft- und Medientransport
  • Werkzeugträger
  • Rigs
  • Laufschaufeln
  • Maschinentische
  • Maschinenverkleidungen und -gehäuse
  • Roboterarme und –komponenten
  • Kranarme und Stützstrukturen
  • Verfahrportale
  • Gestellbauteile
  • Lasttragende Strukturkomponenten

carbon-rohrAbbildung 7: Rohrsystemkomponente zur Luftführung 

Fazit

Kunden fordern im Bereich des Anlagenbaus 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 industriellen Anlagenbau. Um das Material jedoch zunehmend in „metallaffinen“ Branchen etablieren zu können, muss Bewusstsein über dessen Vorzüge bei Konstrukteuren 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 für den industriellen Anlagenbau effizient realisieren. Mit einem erfahrenen Produktionspartner an der Seite kann auf spezifisches Know-How zurückgegriffen werden und ohne Vorwissen auf die Vorteile von CFK-Lösungen zurückgegriffen werden.

carbontechnik Industrie

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Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

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