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DER KONSTRUKTEUR 12/2018

DER KONSTRUKTEUR 12/2018

LEICHTBAU

LEICHTBAU DER VERBUND MACHT DIE SACHE RUND Stahl und andere Metalle sind bis heute Inbegriff für Festigkeit und Stabilität. Mit Verbundwerkstoffen aus Carbon können Bauteile bei ähnlichen Festigkeitsgüten leichter gemacht werden. Ein Spezialist für Hydraulikzylinder hat auf dieser Basis eine hochfeste Verbindung mit weiteren Komponenten wie beispielsweise Metall entwickelt. Der Einsatzbereich dieses neuartigen Werkstoffs H-CFK reicht über die Fertigung von Hydraulikzylindern bzw. Kolbenstangen und den Bau von Elementen für den klassischen Maschinenbau hinaus. Bei einer Gewichtsersparnis von bis zu 80 % kann jedes Bauteil individuell auf Festigkeit und Steifigkeit designt werden. Ein Beispiel sind Stangen zum Heben von LKW-Planen oder zum Reinigen von Silos. SPECIAL In vier Jahren Entwicklung hat die Herbert Hänchen GmbH aus Ostfildern neue Wege in der Materialtechnik erschlossen. Sie hat das Potenzial von hoch belastbarem Verbundmaterial aus kohlefaserverstärktem Kunststoff konsequent für neue Anwendungen erschlossen und eine hochfeste Verbindung mit weiteren Komponenten wie beispielsweise Metall entwickelt: H-CFK. Ursprünglich für den Einsatz in Hydraulikzylindern konzipiert, geht das schwäbische Unternehmen mit diesem Werkstoff noch weiter: Stangen und andere hauptsächlich runde Bauteile aus H-CFK sollen in der Handhabung neue Möglichkeiten erschließen. Beim Einsatz von bis zu 7 m langen Stangen für das Handling oder für Reinigungszwecke kommen die Möglichkeiten des neuen Werkstoffs eindrucksvoll zur Geltung. Bei Stangen dieser Länge entstehen durch das Eigengewicht sehr große Hebelkräfte, die der Benutzer mit den Händen halten muss. Hier bietet H-CFK völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten. LANG, LEICHT, STARK Im Beispiel einer Handlingstange für die Siloreinigung sprachen verschiedene Vorgaben für den neuen Werkstoff. Holzstangen, eine klassische Lösung, brechen leicht und sind hygienisch nicht akzeptabel. Klassische Kunststoffe, aber auch herkömmliche Faserverbünde waren nicht steif genug bei dieser Länge. Blieb als einzige Alternative Metall, bevorzugt Stahl- oder Aluminiumlegierungen. Carbon-Werkstoffe sind werkstoffbedingt spröder als Stahl. Doch das maßgeschneiderte Design des H-CFK-Verfahrens konnte dies ausgleichen. Die Handlingstangen im Silo haben bei einer Länge von 6 800 mm eine Gesamtmasse von nur 1 500 g und wiegen somit im Vergleich mit anderen Lösungen weniger als die Hälfte. Damit verringern sich die resultierenden Hebelkräfte im Vergleich zu anderen Materialien wie Stahl drastisch. Die Handkräfte, also die Belastung für den Benutzer, betragen bei waagrechtem Einsatz nur ca. 50 N Druckkraft im hinteren und unter 65 N Zugkraft im vorderen Handbereich. Dies erlaubt auch den ermüdungsarmen Langzeiteinsatz mit besten Handhabungseigenschaften. Der Außendurchmesser beträgt 34 mm, was gute Griffeigenschaften ergibt. Am vorderen Ende der Handlingstange ist ein Adapter aus Aluminium eingebracht, mit dem kundenspezifische Enden eingebracht werden können, seien es Besen zum Abkehren von Silowänden oder Haken zum Lösen oder Schieben eines Gegenstands. Die Be- 36 DER KONSTRUKTEUR 12/2018

lastbarkeit der Stange auf Zug und Druck beträgt 40 kg. Handlingstangen aus H- CFK sind ohne weiteres für Betriebstemperaturen über 50 °C einsetzbar. Zulässige Temperaturen bis 80 °C oder auch höher sind optional möglich. LAMINATAUFBAU Hänchen arbeitet mit einer speziellen 7-Achs-Wickelmaschine, eine komplette Eigenentwicklung, die einen an die Anforderungen optimal angepassten Laminataufbau ermöglicht. Sie erlaubt es, die Fasern von 0 bis 90° zu legen. Um eine größtmögliche Belastbarkeit der Handlingstange zu erreichen, ist es erforderlich, einen BAUTEILE AUS H-CFK H-CFK ist ein von Hänchen entwickelter, hochbelastbarer Verbund von Carbon und anderen Komponenten. Aus diesem Hybrid-Carbon- Werkstoff designt und produziert das Unternehmen Bauteile rund um den Hydraulikzylinder, wie Zylinderrohre, Kolbenstangen und Schutzrohre ohne metallische Laufflächen. Darüber hinaus liefert der Anbieter, wie im Beitrag beschrieben, lange und runde Bauteile, wie Carbonstangen und Carbonstäbe als Führungsstangen, sowie Carbonrohre als Leitungsrohre für Flüssigkeiten oder Schüttgut. Kombinations-Laminataufbau zu designen, bestehend aus UD-0°-Lagen kombiniert mit 45°-Lagen. Ein UD-0°-Lagen-Laminat kann Längskräfte sehr gut aufnehmen und gibt dem Bauteil eine hohe Biegesteifigkeit. Jedoch ist ein reines UD-0°-Lagen-Laminat – wie es etwa bei der Herstellung von pultrudierten Rohren entsteht – sehr bruchanfällig bei Stößen. Die im Handhabungsbereich hohen Anforderungen an die Schlagfestigkeit sind mit einem reinen UD-Laminat meist nicht erreichbar. Ein reiner 45°-Lagen-Aufbau könnte die Druckkräfte nicht ausreichend tragen und wäre nicht biegesteif genug. Das eingesetzte Harzsystem bietet höherwertige Festigkeits- und Steifigkeitswerte im Vergleich zu Einfachsystemen wie Pultrusionsharzen. Die Stange hat einen Temperaturausdehnungskoeffizienten von 1,2*10-5 1/K. Auf die Gesamtlänge ergibt sich bei einer Temperaturdifferenz von 10 °C eine Verlängerung von nur etwa 1 mm, was typisch für das Material und in vielen Anwendungen ein deutlicher Vorteil gegenüber Metall ist. SICHERHEITSASPEKTE Selbst für den Fall einer Überlastung wird vorgesorgt: Bei Überschreiten der zulässigen axialen Druckbelastung kommt es zum Durchbiegen des Stabs. Eine dadurch ausgelöste Verkürzung des Stabs reduziert die Reichweite. Dies ist ein markantes Überlastungszeichen für den Anwender. Wird die Kraft trotz Durchbiegen aufrechterhalten, kann es zum Ausknicken des Stabs kommen. Durch ein in den Compound eingebundenes Aramid-Geflecht 01 4 m lange leichte und biegesteife Handlingstange aus H-CFK zum Verschieben der Dachplane eines LKWs DER KONSTRUKTEUR 12/2018 37 Turkish-Machinery.indd 1 29.11.2018 08:11:15

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