DER KONSTRUKTEUR 5/2019

WERKSTOFF- &

WERKSTOFF- & VERBINDUNGSTECHNIK LEICHTE MATERIALIEN FÜR DEN MASCHINENBAU!? PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Vor dem Hintergrund der Energie- und Ressourceneffizienz ist es nachvollziehbar, dass die Bedeutung von Leichtbautechnologien für die Wettbewerbsfähigkeit eine immer größere Rolle spielt. Das gilt nicht nur für den Automobil- und Flugzeugbau: Auch der Konstrukteur im Maschinen- und Anlagenbau steht verstärkt vor der Herausforderung, innovative Leichtbaulösungen für kundenspezifische Problemstellungen zu finden. Faserverbundwerkstoffe bieten hier großes Potenzial. Doch macht Leichtbau überall Sinn? Oder gibt es auch Erwägungen, die gegen den Einsatz von Leichtbaumaterialien sprechen? Autoren: Marco Bianconi und Anke Theißen, beide Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG, Dortmund Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind Verbundwerkstoffe aus Carbonfasern und Epoxidharz (EP). CFK gilt als Hightech-Material im Leichtbau. Denn eine Kohlenstofffaser ist nur ungefähr 5 µm dick. Das einzelne menschliche Haar mutet sich dagegen mit seinen annähernd 70 µm wie der Koloss von Rhodos an. Carbon besteht aus vielen Kohlenstofffasern. Doch auch die Menge an Fasern ändert nichts daran: Bauteile aus Carbonmaterialien sind halb so schwer wie Aluminium und dabei deutlich härter als Stahl. Trotz seines geringen Gewichtes ist carbonverstärkter Kunststoff äußerst fest, steif und haltbar. Dieser Werkstoff behält auch bei hoher und häufiger Belastung seine Stabilität. Dabei wird in der Herstellung des Materials die Faserrichtung gezielt zur Verstärkung der Eigenschaften genutzt. Die einzelnen Faserlagen werden in gezielte Richtungen verlegt, um die erforderliche Festigkeit und Steifheit entsprechend der vorherrschenden Belastungen zu erreichen. VORTEILE VON CFK Carbonfaserverstärkter Kunststoff punktet mit gleich drei Argumenten: Aufgrund der geringeren Dichte des Materials und der erhöhten Festigkeit hat der Werkstoff ein enormes Leichtbaupotenzial, dass nicht nur im Automobilbau und im Radsport Vorteile bringt. Zudem gilt CFK als langzeitbeständig aufgrund seiner Reaktionsträgheit (Inertheit) sowie seiner Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit. 12 DER KONSTRUKTEUR 5/2019

Und last but not least erlaubt der Werkstoff im Design eine hohe Gestaltungsfreiheit. Nutzt der Konstrukteur diese spezifischen Eigenschaften zu seinem Vorteil, kann er sich, im Maschinenbau große Potenziale erschließen. Neben der Steigerung der Performance und Effizienz liegen diese auch in der Individualität, der Flexibilität und der Vielzahl der Funktionen des zu konstru ierenden Bauteils. Neben der Qualitäts- und Quantitätssteigerung in der Produktion kann zudem die Reduzierung der Antriebsleistung für Antriebs- und Förder maschinen erreicht werden. Das ist möglich durch die geringere Masse, die die Maschinen durch den Einbau von Carbonmaterialien erreichen. Carbonfaserverstärkte Kunststoffe tragen zudem zu einer höheren Steifigkeit der Maschinen bei. Das ermöglicht eine höhere Bearbeitungspräzision (geometrisch) und erhöht die Eigenfrequenz der Maschinenkomponenten. Auch die bessere Dämpfung, die durch diese Kunststoffe erreicht wird, führt zu verbesserten Bearbeitungen, die sich deutlich in der Oberflächenqualität ablesen lassen können. Gleichzeitig werden Rattermarken bzw. Vibrationen reduziert. ENTSTEHEN NACHTEILE DURCH DEN EINSATZ VON CARBONFASERN? Der größte Forschungsbedarf bei Carbonfasern wird noch in den Bereichen Recycling, Simulation und in der Verbindungstechnik verschiedener Werkstoffe (Multi-Material-Design) gesehen. Hier 01 Individuelle Faserverbundbauteile mit Anbauteilen aus Metall bietet sich die Chance, durch innovative Lösungen neue Märkte zu erschließen. Simulation und Verbindungstechnik sind wesentliche Schwerpunkte, um die vermeintlichen bzw. vermeidbaren Nachteile beim Umgang mit CFK bei der Konstruktion zu umgehen. Es gilt, Fragen zu klären wie: Wie konstruiere ich mit CFK, wie vergleiche ich CFK DER KONSTRUKTEUR 5/2019 13