Composites Europe: Leichtbau mit FVK

In Zukunft leichter mit Faserverbundwerkstoffen

| Redakteur: Konrad Mücke

Effizienter durch Leichtbau: Für den Maschinenbau lassen sich speziell hochdynamisch bewegte Komponenten aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen herstellen.
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Effizienter durch Leichtbau: Für den Maschinenbau lassen sich speziell hochdynamisch bewegte Komponenten aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen herstellen. (Bild: Reed Exhibitions GmbH)

Herausragende Eigenschaften, zum Beispiel hinsichtlich Festig- und Steifigkeit, Abrasions-, Korrosions-, Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, einstellbare Wärmeausdehnung, elektrische Leitfähigkeit oder Isolation sowie die Möglichkeit, Bauteile integrierend zu konstruieren, schaffen für Faserverbundwerkstoffe grosse Chancen auch im allgemeinen Maschinenbau.

Bisher nutzen überwiegend die Automobilindustrie, das Bauwesen, die Luftfahrt, der Schiffsbau und die Windkraft die Vorteile von Faserverbundwerkstoffen. Zunehmend werden Bauteile in Serien gefertigt. Dagegen realisiert der Maschinenbau bislang nur selten Komponenten aus diesen Werkstoffen, obwohl sich damit doch einige Vorteile erschliessen liessen. Hersteller fürchten offenbar den konstruktiven und rechnerischen Aufwand und die vermeintlichen Schwierigkeiten beim Herstellen komplexer Strukturen.

Raus aus der Nische

Im Maschinenbau gibt es eine Vielzahl an Bauteilen, die mit Faserverbundwerkstoffen (GFK oder CFK) hergestellt werden können und mitunter bereits hergestellt werden. Dies betrifft beispielsweise Robotergreifer und -arme, Kegel, Pleuel, Hubbalken, Rotorbügel, Schaufelblätter, Federn, Antriebswellen, Walzen sowie Komponenten für Textil- und Werkzeugmaschinen.

«Derzeit gibt es allerdings noch keine grossen Serien, aber eine Vielzahl unterschiedlicher Nischen mit hohem Potenzial», berichtet eine gemeinsam von Roland Berger Strategy Consultants und dem VDMA-Forum Composite Technology im Jahr 2012 veröffentlichte Studie mit dem Titel «Serienproduktion von hochfesten Faserverbundbauteilen – Perspektiven für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau». Die Experten prognostizierten ein moderates Wachstum und sahen als Treiber technische Notwendigkeiten sowie Aspekte zur Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

Wachsender Markt

Aktuellere Studien bestätigen die Prognose aus dem Jahr 2012. Anfang diesen Jahres hat die Vereinigung Composites Germany die aktuellen Informationen aller Mitgliedsunternehmen der vier grossen Trägerverbände AVK, CCeV, CFK-Valley und der VDMA-Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien zum Markt für Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) in der 10. Composites-Markterhebung veröffentlicht. Demnach sieht man den Maschinenbau zunehmend als eine der Anwenderindustrien, die deutliche Wachstumsimpulse für den Markt der Verbundwerkstoffe liefert.

Auch das VDI-Zentrum für Ressourceneffizienz sieht in seinem im Jahr 2015 erschienenen Bericht «Bestandsaufnahme Leichtbau in Deutschland» im Maschinen- und Anlagenbau einen grossen und wachsenden Markt für Leichtbaulösungen. So sei die Fertigung für den Energiebereich und für medizintechnische Anwendungen sehr dynamisch. «Die kurz- bis mittelfristig grössten Leichtbaumärkte im Maschinenbau bestehen für hochfesten Stahl, für Aluminium sowie für faserverstärkte Kunststoffe (GFK, CFK und andere)», berichten die Autoren.

Mit Leichtbau effizienter hochdynamisch bewegen

Speziell für bewegte Komponenten würden zunehmend Leichtbauwerkstoffe verwendet. «Ein Forschungsschwerpunkt ist beispielsweise die Entwicklung von hochdämpfenden Leichtbau-Verbundwerkstoffen, mit denen eine Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit und der -geschwindigkeit, der Lebensdauer sowie ein geringerer Werkzeugverschleiss verwirklicht werden kann», sagt der Bericht des VDI. Darüber hinaus haben die Experten nicht nur technische, sondern auch soziale Vorteile für den Einsatz von Verbundwerkstoffen im Maschinenbau identifiziert: «Mit dem Leichtbau ist zusätzlich auch eine Technologie für altersgerechtes Arbeiten vorhanden, da durch leichtere Produktionsmaschinen Arbeitsbelastungen verringert werden können», stellen sie fest.

Wie die Experten von Carbon Composites e.V. meinen, schaffen Leichtbau-Verbundwerkstoffe mit ihren Materialeigenschaften viele Vorteile für den Maschinenbau, etwa mit ihrem hohen Innovationspotenzial. So ermöglichten hochdämpfende Leichtbau-Verbundwerkstoffe in diversen Anwendungen, bewegte Massen erheblich zu reduzieren. In Verbindung mit einer hohen Schwingungsdämpfung sei dies für eine hochpräzise Werkzeugmaschine besonders vorteilhaft. So liessen sich kleinere Antriebe und eine Auslegung für verringerte Bearbeitungskräfte realisieren. Das erhöhe die Genauigkeit und damit die Qualität. Die Lebensdauer der Maschine und die Standzeiten der Werkzeuge verlängern sich ebenfalls.

Konstruktionselemente aus Halbzeugen

Im Maschinenbau werden Verbundwerkstoffe überwiegend als Sandwich- und Profilkonstruktionen in Form von Platten und Profilen aus Kohlefaserverbund (CFK) eingesetzt. CFK-Halbzeuge werden durch Kleben gefügt. Die Bauteile eignen sich für sehr steife Konstruktionen, die selbst dann noch für eine hohe Positioniergenauigkeit sorgen, wenn enorme Beschleunigungskräfte wirken. Durch die gezielte Auswahl von Fasern und einen entsprechenden Lagenaufbau werden bei sehr niedriger Masse vorteilhafte E-Module verwirklicht. Diese sind annähernd doppelt so hoch wie diejenigen von Stahl. CFK-Bauteile lassen sich ausserdem auf eine minimale Wärmeausdehnung hin auslegen. SMM

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