Hannover Messe 2017

H-CFK ermöglicht neue Konstruktionen

| Redakteur: Luca Meister

Für Stangen und Rohre ist H-CFK ein universal einsetzbarer Werkstoff-Verbund.
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Für Stangen und Rohre ist H-CFK ein universal einsetzbarer Werkstoff-Verbund. (Bild: Hänchen)

Im Gegensatz zu Stahl können CFK bei deutlich geringerem Gewicht eine bessere Performance hinlegen und damit neuartige Konstruktionen ermöglichen. Was bei Hänchen mit der Entwicklung von Kolbenstangen und Hydraulikzylindern aus «H-CFK» begonnen hat, wird jetzt im allgemeinen Werkstoffbereich fortgeführt.

In vier Jahren Entwicklung hat die Herbert Hänchen GmbH & Co. KG einen neuen Weg in der Materialtechnik erschlossen. Ursprünglich für den Einsatz in Hydraulikzylindern konzipiert, geht das Unternehmen noch weiter: Stangen und andere Bauteile aus «H-CFK» können die Werkstofftechnik revolutionieren. Für Karosseriebauteile oder im Sportbereich etwa ist CFK schon längst Standard. Seit Jahrzehnten vertrauen z.­B. Bogenschützen auf Pfeile, Autobauer auf Kotflügel und Fahrradsportler auf Rennräder und Mountainbikes aus dem Fasermaterial. Im Maschinenbau kommt der Werkstoff jedoch erst langsam an – und dies trotz der enormen Vorteile des neuen Verbundwerkstoffs wie etwa geringen Gewichts sowie hoher Belastbarkeit und Beständigkeit gegen verschiedenste Medien. Bei einer Gewichtsersparnis von bis zu 80 Prozent kann er je nach Faserverlauf eine Zugfestigkeit von bis zu 5000 N/mm² erreichen. Damit sind Festigkeiten möglich, die deutlich über der von Stahl liegen.

Carbon – ein konfigurierbarer Werkstoff

Der Vorteil von H-CFK ist, dass die Eigenschaften dieses Werkstoffs auf die Anwendung hin designt werden. Geht es um die Belastung, ist er in drei Dimensionen konfigurierbar: je nachdem, ob die Belastung z.­B. durch Biegung, Zug oder Druck, Scherung oder Torsion auftritt. Die Elemente werden je nach Anforderung designt, der Faserverlauf entsprechend angepasst. Hänchen arbeitet dabei mit einer speziellen 7-Achs-Wickelmaschine, einer kompletten Eigenentwicklung.

Carbon-Werkstoffe sind werkstoffbedingt spröder als Stahl. Hier bietet die massgeschneiderte Konfiguration beim H-CFK-Verfahren Ausgleichsmöglichkeiten. So wird durch die Einbindung von Aramidfasern in den Verbund ein splitterfreier Bruch gewährleistet – ein vergleichbares System wie bei Sicherheitsglas.

Auch bei der Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien, die Bauteile angreifen, bietet H-CFK durch den Einsatz einer besonderen Beschichtung Vorteile. Dies betrifft eine Reihe von Laugen und Säuren, aber auch Medien wie Bremsflüssigkeit, Öle oder Adblue. Ebenso ist H-CFK sehr gut beständig gegenüber Salzwasser. So zeigt der Werkstoff im 96-Stunden-Salzsprühtest keine Veränderungen, was ihn für Einsätze im Seewasserbereich oder auf winterlichen Strassen geeignet macht.

Ingenieure müssen neu denken

Natürlich ist es für Entwickler eine Herausforderung, sich in die Eigenschaften eines neuen Werkstoffes hineinzudenken, um diesen in eigenen neuen Konstruktionen verwenden zu können. Doch H-CFK bietet in seiner Individualisierbarkeit unbestreitbare Vorteile. Wo die Entwicklung systematisch die Belastung eines Bauteils berücksichtigt, können nicht nur Gewicht und Energiekosten gespart werden. Viel häufiger kommen die Eigenschaften wie Performance-Verbesserung, Korrosionsbeständigkeit, keine Ausdehnung bei Wärme oder besondere Biegsamkeit für die Aufnahme von Querkräften zum Tragen. Eine aktuelle Fraunhofer-Studie zeigt auf, dass Leichtbauelemente oft nur dann eingesetzt werden, wenn konventionelle Lösungen keine Alternative sind. Oft seien damit Ängste vor Mehrkosten verbunden, es fehle Vertrauen zu den neuen Materialien. Dem Leichtbau sind immer noch längst überholte Wertungen zugeordnet wie Minderwertigkeit, geringere Leistung und geringere mechanische Belastbarkeit. Doch in den vergangenen Jahren ist die Forschung deutlich vorangeschritten.

Eine Überschätzung der Mehrkosten habe oftmals zur Folge, dass Ingenieure das Thema Leichtbau von vornherein verwerfen und sich nicht weiter damit beschäftigen. Gerade in diesem Bereich kann ein Umdenken ganz neue Möglichkeiten eröffnen.

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