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DER KONSTRUKTEUR 12/2017

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LEICHTBAU 03

LEICHTBAU 03 „DER MARKT FÜR MOTOREN IM LEICHT- BAU-DESIGN IST EIN WACHS- TUMSMARKT“ Dr. Michael Döppert, Chefredakteur www.DerKonstrukteur.de 03 Der äußere Teil der Rotorscheiben ist ferromagnetisch gefüllt, der innere Teil besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff 04 Die Kombination von Werkstoffeigenschaften ist auch bei der Welle möglich 04 Motoren im Leichtbau-Design können vor allem in der Elektomobilität und der Robotik ihre Vorteile ausspielen. Gerade diese beiden Technologiebereiche werden als die industriellen Wachstumsmärkte der Zukunft gesehen. Mit ihnen wird auch die Nachfrage nach leicht bauenden Motoren steigen und natürlich auch der Anreiz, in die weitere Entwicklung solcher Motoren zu investieren. erarbeitet, wie eine verteilte Bruchlochwicklung mit erhöhtem Kupferfüllfaktor im automatisierten Verfahren eingebracht werden kann. Gegenüber der Ausgangsausführung ließ sich auf diese Weise rund 1,3 % Gewicht, bezogen auf das bewickelte Statorblechpaket, einsparen. Im Bereich des Stator- und Rotorblechpakets, oder allgemeiner, bei den magnetisch leitenden Bauteilen, gibt es aus Sicht der Werkstoffdichte nur wenige Alternativen. Praktisch alle magnetisch gut leitfähigen Materialien (Eisen, Nickel, Cobalt) besitzen Dichten, die unwesentlich voneinander abweichen. Eine Gewichtsreduktion kann erreicht werden, indem Werkstoffe verwendet werden, die eine möglichst hohe Sättigungspolarisation aufweisen, da damit die flussführenden Querschnitte bei gleicher magnetischer Beanspruchung kleiner dimensioniert werden können. Als derartige Werkstoffe kommen z. B. Eisen-Cobalt-Legierungen in Betracht, deren Dichte jedoch höher ist als die üblicher Elektrostähle. Je nach Ziel bei der Dimensionierung der elektrischen Maschine können dadurch ebenfalls Gewichtsvorteile erreicht werden. SPECIAL „DIE ELEKTROMOTOREN- TECHNOLOGIE HAT GROSSES LEICHT- BAU-POTENZIAL“ Dr.-Ing. J.-P Jastrzembski, Wittenstein Cyber Motor GmbH Im Projekt Prolemo konnte das Gesamtgewicht des Antriebs durch verschiedene Ansätze um bis zu 23 % gesenkt werden, wobei die Leistungsfähigkeit gegenüber der Ursprungsausführung nahezu erhalten geblieben ist. Das Projekt zeigt auch, dass Leichtbau nicht allein durch die Verwendung leichter Werkstoffe erreicht wird. Vielmehr ist es die geschickte Auswahl und Kombination von Werkstoffen, die einiges Potenzial in dieser Hinsicht heben kann. www.DerKonstrukteur.de EIGENSCHAFTEN VERSCHIEDENER WERKSTOFFE KOMBINIEREN Es ist prinzipiell möglich, die Eigenschaften von verschiedenen Werkstoffen miteinander zu kombinieren, um Gewichtseinsparungen zu erreichen, aber ohne dabei allzu große Nachteile in Bezug auf andere Anforderungen in Kauf zu nehmen. Als Beispiel sei hier der Aufbau des Rotors genannt, der im Projekt Prolemo im Spritzgussverfahren aus Kunststoff mit verschiedenen Füllstoffen hergestellt wurde. Eine gute magnetische Flussführung wird mittels eines ferromagnetischen Füllstoffs erreicht (Füllgrad ca. 57 %), während die Teile des Rotors, die lediglich das Drehmoment an die Welle übertragen durch Glasfasern verstärkt werden (Füllgrad ca. 30 %). Beide Füllstoffe werden mit der geringen Dichte des Kunststoffs als Trägermaterial kombiniert, womit die Gesamtmasse um ca. 15 % und die Massenträgheit um bis zu 14 % gegenüber der Ursprungsausführung mit einem geblechten Paket erreicht wird. Die Kombination von Werkstoffeigenschaften ist auch im Bereich der Welle erreichbar, indem ein hybrider Aufbau aus Stahl und Faserverbundwerkstoffen gewählt wird. Im Projekt Prolemo wurden hierfür Wellen aus Carbon-Fasern mit metallischen Wellenenden hergestellt. Die Kräfte, die innerhalb der Welle auftreten, werden durch die gezielte Faserverlegung und deren hohe Zugfestigkeit aufgenommen, während die Lagersitze und die mechanischen Schnittstellen durch metallische Wellenenden robust ausgeführt sind. Das Gewicht der Welle lässt sich mit diesen Maßnahmen gegenüber einer geometrisch vergleichbaren Stahlwelle um ca. 50 % reduzieren. Bei Gehäuseteilen ist es einfacher, den Werkstoff nur anhand seiner Dichte auszuwählen, denn an diese Bauteile bestehen oft nur einzelne Anforderungen. Allerdings kann ähnlich wie im Beispiel der Aluminiumwicklung der Fall eintreten, dass z. B. ein Kunststoffteil wegen der Forderung nach ausreichend hoher Festigkeit massiver gestaltet werden muss als beispielsweise ein gleichfestes Aluminiumteil. Bilder: Bilder 1 und 2 Wittenstein Cyber Motor GmbH; Aufmacherbild, Bilder 3 und 4 Institut wbk des KIT, M. Peter www.wittenstein.de 44 DER KONSTRUKTEUR 12/2017

LEICHTBAU VENTILSERIE: LEICHTGEWICHT FÜR MOBILE ANWENDUNGEN Mit dem LS04 bietet Aventics eine Ventilserie, die sich für die Direktmontage auf bewegten Maschinen und Anlagenteilen eignet. Nur 10,8 mm misst der Ventilkörper in der Breite – das Design ist die Grundlage sowohl für kleine Abmessungen als auch für geringes Gewicht. Zum Einsatz kommen hier Polyamid und Aluminium. Dank minimalen Einschaltzeiten von 9 ms trägt das Ventil zur genauen Positionierung bei, beispielsweise bei an Roboterarmen montierten Werkzeugen. Der Nenndurchfluss beträgt 200 l/min für LS04-XS und 170 bis 310 l/min für LS04-AF; die Pneumatikventile sind mit Rohranschlussdurchmessern von 4 und 6 mm erhältlich. Sie sind sowohl mit zweipoligen Steckverbindern als auch dreipoligen Rundsteckverbindern (M8) ausgestattet; die Durchmesser der Steckverbinder von 10 mm definieren dabei die minimale Breite der Ventilserie. Eine Status-LED zeigt den Schaltzustand des Ventils. Die besonders kleine Ausführung LS04-XS kann als einseitig betätigtes 5/2-Ventil eingesetzt werden. Bei der Standardausführung LS04-AF stehen 5/2-, 5/3- und 2x3/2-Wegeventile mit allen klassischen Funktionen zur Verfügung. www.aventics.com MAXIMALE SAUGLEIS- TUNG IM LEICHTBAU FUNKTIONSINTEGRATION Wenn aus Bauteilen Multitalente werden. Mit dem partiellen Flächensauger von Jomatik lassen sich Einzelteile mit maximaler Saugleistung ansaugen – ohne dass dabei die gesamte Saugfläche belegt sein muss. Das Ventil system sorgt dafür, dass an den Stellen des Greifers die Saugkraft nicht verloren geht, an denen keine Teile aufliegen: In den Greifer sind Kugeln integriert, die wie ein Rückschlagventil funktionieren. Der Greifer wurde im selektiven Laser-Sinterverfahren (SLS) aus Polyamid (PA12-Basis) hergestellt. Durch die Leichtbaukonstruktion konnte im Vergleich zur herkömmlichen Fertigungsweise das Gewicht um etwa 65 % reduziert werden. Außerdem wurde ein Faltenbalg in den Sauggreifer integriert. Dieser erweitert die Funktion des Greifers: Der Balg bewegt einen Rahmen und fixiert damit das Werkstück auf der anzubringenden Stelle. So ist eine schnellere Geschwindigkeit im Prozess und damit verbunden eine erhöhte Produktivität möglich. Anwendung findet der Greifer derzeit etwa in der der Textilproduktion. Erfahren Sie, wie Reinhard Thobe und seine Kollegen Kunststoffteile so effektiv gestalten, dass sie am Ende mehr als nur eine Aufgabe erfüllen. Neugierig geworden? Rufen Sie uns einfach an: +49 4442 982-653. Machen Sie die Online-Betriebsbesichtigung: funktionsintegration.poeppelmann.com Kunststoff. Machen wir. www.jomatik.de Pöppelmann.indd 1 22.11.2017 10:42:39 DER KONSTRUKTEUR 12/2017 45

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