Verbundwerkstoff-Traversebalken
Written by Humphrey Carter on Mai 15, 2019 in Aktuelles

Wenn Sie im Gespräch mit den meisten Ingenieuren Verbundwerkstoffe erwähnen, werden sie wahrscheinlich an fortschrittliche Luft- und Raumfahrtstrukturen oder Teile für Formel-1-Autos denken.
Jedoch finden diese vielseitigen Materialien allmählich ihren Weg in alle möglichen industriellen Anwendungen.
Dazu zählen Bereiche, in denen Materialien wie Stahl und Aluminium traditionell die bevorzugten Materialien sind.

Bislang war die Verwendung von Verbundwerkstoffen außerhalb der oben erwähnten Leichtbauanwendungen im Allgemeinen auf spezielle Maschinen- und Automatisierungssysteme beschränkt.
Dies ist zum Teil auf ihre Kosten zurückzuführen, weil Verbundwerkstoffe teurer sein können als Stahl oder Aluminium.
Es ist jedoch häufiger der Fall, dass Design- und Fertigungsingenieure die wirklichen Vorteile von Verbundwerkstoffen bei der Konstruktion oder dem Bau einer viel breiteren Palette von Maschinensystemen noch nicht begriffen haben.

Physikalische und mechanische Vorteile

Verbundwerkstoffträgerstrukturen, die beispielsweise in der Automatisierung oder in Materialtransportsystemen verwendet werden, bieten erhebliche physikalische und mechanische Vorteile gegenüber Strukturen aus Stahl oder Aluminium.
Verbundwerkstoffstrukturen sind leichter, steifer und können so konstruiert werden, dass sie ein besseres Dämpfungsniveau bieten, wodurch Maschinensysteme mit weitaus höheren Geschwindigkeiten und mit viel größerer Präzision und Wiederholbarkeit betrieben werden können.

Werkzeugmaschinenhersteller stehen unter Druck, Kapazität, Qualität und Durchsatz zu verbessern.
Sie stellen nun fest, dass kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffkomponenten so konstruiert werden können, dass sie bei einem Viertel der Masse von Stahl die doppelte Steifigkeit erreichen, während die Schwingungsdämpfungseigenschaften 20 Mal besser als bei Stahl sind, und, was noch wichtiger ist, die thermische Ausdehnung in jeder Achse Null beträgt.

Kostenvorteile

Beim Vergleich der Kosten von Stahl oder Aluminium mit Verbundwerkstoffteilen ist es wichtig, das Gesamtbild zu betrachten.

Erstens sorgen moderne Verbundwerkstoff-Fertigungstechniken für präzise Komponenten mit geringen Nachbearbeitungsanforderungen.
Dadurch wird die Kostenlücke deutlich verringert, weil die Zeit, welche für die Vorbereitung eines Teils zum Einbau in eine Maschine nötig ist, verkürzt wird.

Zweitens ermöglicht die Reduzierung des Gewichts großer beweglicher Komponenten den Designern bzw. Konstrukteuren, kleinere Lager, Motoren und andere Bewegungskomponenten zu wählen.
Sobald eine Maschine in Betrieb genommen wird, kann die durch diese Gewichtsreduzierung erzielte Reduzierung der Energiekosten während der Lebensdauer einer Maschine deutliche Kostenvorteile bieten.

Eagle verdoppelt die Genauigkeit von Laserschneidern

Die Vorteile von Verbundwerkstoffstrukturen können durch ein kürzlich von uns durchgeführtes Projekt für den Faserlaser-Maschinenhersteller Eagle veranschaulicht werden.
Eagle verfolgte die Absicht, das Gewicht und die Durchbiegung eines 3,1 m langen Y-Achsen-Querträgers zu reduzieren, der in einem der Laserschneidemodelle der Firma verwendet wird.
Das vorhandene Stahlteil wurde durch eine dünnwandige, mit Schaumstoffkern verstärkte Verbundwerkstoffkonstruktion ersetzt, wodurch das Gewicht des Trägers um bis zu 44 % reduziert und seine Steifigkeit erhöht werden konnte.

Eagle konnte diese Verbesserungen nutzen, um die Spitzenbeschleunigung des Strahls von 3 G auf 6 G zu verdoppeln, was wiederum die zum Schneiden einer Materialplatte benötigte Zeit um bis zu 30 % reduzierte.
Darüber hinaus führten die zusätzliche Steifigkeit und die verbesserten Dämpfungseigenschaften des Teils zu einer bis zu 50 % höheren Präzision.

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