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DER KONSTRUKTEUR 4/2015

DER KONSTRUKTEUR 4/2015

FLUIDTECHNIK LIVE@

FLUIDTECHNIK LIVE@ Leichter und effizienter Carbon-faserverstärkter Kunststoff in Hydraulik-Zylindern Der Einsatz von carbon-faserverstärktem Kunststoff (CFK) verspricht Gewichts- und Energieeinsparung. Ist dieser Werkstoff aber auch für die hohen Anforderungen in der Hydraulik, für deren mechanische Belastungen und tribologische Ansprüche geeignet? Ein Hersteller von Hydraulikzylindern stellte diese Frage und fand die Antwort. Ziel der Konstrukteure der Herbert Hänchen GmbH & Co. KG war zunächst die Entwicklung einer Leichtbau-Kolbenstange aus Carbon für Kleinstückzahlen. Mit dem gewonnenen Know-how realisiert Hänchen heute in einem neuen innovativen Fertigungsverfahren Zylinderrohre aus H CFK ohne metallisches Innenrohr sowie H CFK Kolbenstangen ohne metallische Lauffläche. Von der Metall- zur CFK-Lösung Im Herbst 2010 definierte das Team in Ostfildern zunächst die Anforderungen an Zug- und Druckkräfte sowie Seitenkräfte und maximale Dehnungskoeffizienten als Vorgaben für den neuen Werkstoff. Es folgte die Realisierung einer 7-Achs-Maschine zum Aufbau der hochkomplexen H CFK- Verbünde. Die nächste Herausforderung bestand in einer hochfesten Verbindung zwischen Gewinde, Verschluss und anderen Anschlussteilen aus Metall und dem aus Carbon designten Bauteil. Denn konventionell geklebte Verbindungen halten den hohen Belastungen der Hydraulik nicht stand. Die besondere Wickeltechnologie von Hänchen macht es möglich, metallische Enden direkt in den Carbon-Grundwerkstoff einzubinden. Für krafteinleitende Elemente, wie etwa das Gewinde am Ende einer Kolbenstange, sind metallische Werkstoffe geeigneter. Diese und andere Kombinationen lassen sich mit H CFK in einem hochbelastbaren Werkstück aufbauen. Schließlich galt es, nach einer geeigneten Oberfläche zu suchen, welche die Rolle der bisher verwendeten Chromschicht übernimmt. Die mit dem neuen Fertigungsverfahren entwickelte Kolbenstange aus H CFK ist laut Hänchen eine herausragende Innovation. Der Kolben wird dabei im Verfahren mit aufgebaut und ist deshalb integrierter Teil des Verbunds. Die Kolbenstange aus H CFK überzeugt durch ihre Werte. In der Stahlausführung wiegt sie 7,0 kg, in Aluminium 2,4 kg, in H CFK-Ausführung mit den gleichen Maßen 1,9 kg. Dabei hat der neue Werkstoff eine besonders hohe Festigkeit, dehnt sich nicht aus und ist obendrein amagnetisch. Außerdem kennt Carbon keine Korrosion. Die innovativen Faserverbünde bedeuten für Dynamik, Kraft- Leistungsdichte, Geschwindigkeit und das Gesamtgewicht von hydraulischen Antrieben und anderen Anwendungen einen Quantensprung. Kolbenstangen und Zylinderrohre aus H CFK Die Zylinderrohre aus H CFK erlauben Drücke bis 700 bar und höher Auf der Grundlage dieser Erfahrungen produziert Hänchen jetzt Hydraulik- Zylinder in Kleinstückzahlen, deren Kolbenstangen und Zylinderrohre aus H CFK bestehen. Sie reduzieren im mobilen und stationären Leichtbau das Gewicht um bis zu 80%. Die Zylinderrohre aus H CFK erlauben den Einsatz von Drücken bis 700 bar und höher, denen bisher nur äußerst aufwändige und schwere Spezialkonstruktionen standhielten. Hydraulik-Zylinder mit Kolbenstangen aus H CFK bieten sich an, wenn bei gleicher Leistung Energie eingespart werden soll oder wenn in hochdynamischen Anwendungsfällen höhere Beschleunigungen erzielt werden müssen. Ein Projekt-Beispiel liefert hier konkrete Werte: Ein Zylinder soll eine Oszillation ausführen. In der Anforderung sind Prüflingsmassen zwischen 2 kg und 5 kg bei einer Frequenz bei 100 Hz in einer Sinusbewegung zu oszillieren. Hierzu wird ein Zylinder mit einer Stahl-Kolbenstange von 40 mm, einem Kolben 50 mm und einem Gesamthub von 200 mm ausgewählt. Gemäß der hydraulischen Auslegung ist hierfür ein Durchfluss von 59 bis knapp 100 l/min erforderlich. Das entspricht bei einem Betriebsdruck von 210 bar einer Antriebsleistung von etwa 21 bis 35 kW. Für die gleiche Bewegung genügt mit einer leichteren Kolbenstange aus H CFK ein Kolben mit 46 mm bei einer Kolbenstange mit 40 mm. Die erforderliche Antriebsleistung reduziert sich somit auf knapp 12 bis 18 kW bei einem Durchfluss von nur 34 bis 51 l/min. Neben der Halbierung der Antriebsleistung können insbesondere auch kleinere, umweltfreundliche Hydraulikkomponenten, wie z. B. Pumpen und Ventile eingesetzt werden. Bei Hänchen ist man sicher: vier Jahre Entwicklung und umfangreiche Investitionen haben sich gelohnt. www.haenchen.de 40 Der Konstrukteur 4/2015

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