Konstruktion von Carbonverbund-Komponenten

Hier werden ein paar Überlegungen aufgezeigt, um zu einem grundlegenden Verständnis für die Konstruktion eines Teils aus Carbon beizutragen. Viele Konstrukteure, die in traditionellen Materialien geschult wurden, werden den Ansatz der Verbundstoff- Konstruktion nicht besonders schätzen.

Konstruktionsprinzipien

Verbundstoffe bringen ein Additivverfahren mit sich und bei der Herstellung können viele Merkmale eines Teils gebildet werden

Sanft fließende, natürliche Formen sind förderlicher für die strukturelle Integrität bei Verbundstoffen. Fasern bevorzugen es, um Ecken zu fließen und mögen keine scharfen Kanten. Vermeiden Sie quadratische Kantenlöcher. Begrenzen Sie gestufte Formen, Einbuchtungen, Kanäle, Sichtfenster.

Für ein optimales Verhältnis zwischen Kosten und Gewicht/Steifigkeit ist die Konstruktion bei Verbundstoffen in der Regel größer als bei Stahl.

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Symmetrie ist wichtig, wenn man die Differentialausdehnung berücksichtigt.

 

Thermisches Verhalten

With a composite solution for a machine beam it is possible to achieve a better thermal stability,  but the thermal deformation is much more complex than with a traditional isotropic material.  A machine beam made from steel, cast iron, or aluminium will expand equally in all directions.  Composites are not Isotropic and have both structural and thermal properties depending on the direction of the fibres in each layer and on each face of a component.  Even if the cross section of a beam is symmetric, its thermal behaviour will be uneven.  Adding only thin plates of steel to the composite will have a significant influence on the thermal deformations.

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In 3 Dimensionen muss die gesamte thermische Verformungsaktivität an den Enden eines Trägers ausgeglichen werden, was zu einem lokalen Curling-Effekt am Ende eines Teils führt.

Das thermische Verhalten bei Verbundwerkstoffen muss mit Finite-Element-Techniken vollständig verstanden und modelliert werden, um die Präzision der Komponente sowohl während der Herstellung, als auch im alltäglichen Betrieb der Maschine vorhersagen zu können.

Obwohl die thermischen Verformungen von Verbundwerkstoffen viel komplexer zu verstehen und vorherzusagen sind, ist das Endergebnis weniger Ausdehnung als bei isotropen Metalläquivalenten.

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Ganzheitliches, komplexes Systemdenken

Das Spindelmotor-Beispiel

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Die thermische Ausdehnung der verschiedenen Elemente des Spindelmotors wirkt sich auf die Bearbeitungsgenauigkeit aus. Daraus folgt, dass für eine optimale Genauigkeit der Werkzeugspitze die thermische Verschiebung (Δ) minimiert werden sollte.

Carbon-Graphitverbundstoffe bieten die Möglichkeit einer negativen thermischen Ausdehnung, neben guten Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften. Daher muss eine Berechnung durchgeführt werden, um die thermische Ausdehnung von Welle und Tubus und eventuell Halter und Werkzeugschaft auszugleichen, um Δ gleich Null zu erreichen.

Wenn wir eine thermische Ausdehnungsbelastung gegen eine andere ausgleichen können, muss die Last durch die Lager gehen. Diese Lager müssen diese Reaktion verkraften können.

Die durch thermische Ausdehnung erzeugten Lasten, welche durch Lasten in einem anderen Teil ausgeglichen werden, hängen vom effektiven E-Modul und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ab.

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Nutzenabschätzung

Energie / Kostenvergleich

Die Kosten für Carbonfasern werden oft als Grund angeführt, um sie nicht in Betracht zu ziehen. Das ist eine sehr unrichtige Annahme.

Carbonfasern sind teuer und können daher nur durch finanzielle Vorteile gerechtfertigt werden. Das wurde in vielen Fällen bestätigt.

Bedenken wir dieses einfache Beispiel: Ein Träger, der mit verschiedenen Materialien entworfen wurde, um die gleiche Steifigkeit dafür zu haben, dieselbe Aufgabe zu erledigen. Der Materialpreis von Carbonfasern scheint unglaublich hoch, aber wenn dieser Träger mit der gleichen Steifigkeit gebaut wird, kostet er etwas weniger als das 4-fache von Stahl.

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Versuchen Sie, den Träger zu bewegen und schon könnte der Preis von Motoren, Lagern und allen nötigen Systemen und ebenso die laufenden Kosten enorm niedriger sein.

Summieren Sie die Kosten über ein paar Jahre und der Preis von Carbonfasern wird leicht zu rechtfertigen sein. Dies berücksichtigt noch nicht den zusätzlichen Vorteil einer besseren Dämpfung und damit höherer Qualität.

Diese eine einfache Kalkulationstabelle kann  hier heruntergeladen werden

Qualitätsvorteile sind schwer vorherzusagen

Qualität und höhere Produktionsleistungen durch bessere Dämpfung sind schwerer zu prognostizieren, aber definitiv erreichbar. Bis es genug Daten dazu gibt werden experimentelle Methoden der beste Weg in Richtung Zukunft sein.