Forschungsschwerpunkt

Zielbranchen

Leichtbau, Maschinenbau, Automobilbau

Problemstellung

Gewichtseinsparung bei gleicher oder besserer Steifigkeit, Betriebsfestigkeit und Kosteneffizienz sind Forderungen, die sich durch konsequenten Leichtbau erfüllen lassen. Systemleichtbau und Strukturleichtbau bilden zwei der drei grundlegenden Säulen des Leichtbaus bei konventioneller Metallbauweise. Eine noch größere Gewichtseinsparung ist nur durch Material-Leichtbau, der dritten Säule des Leichtbaus, dank hochfester bzw. hochsteifer und gleichzeitig sehr leichter Materialien möglich. Vor allem Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) haben hohe spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten und eignen sich daher hervorragend als Leichtbauwerkstoff. Darüber hinaus sind FKV in Bezug auf Dauerfestigkeit, Dämpfung und Wärmeausdehnung Stahl deutlich überlegen.

Lösung

Eine Methode, die besten Eigenschaften verschiedener Werkstoffe miteinander zu verbinden, ist die Hybrid-Bauweise. Sinnvolle Kombinationen unterschiedlicher Materialien sind zum Beispiel CFK mit Aluminiumschaum, mit Kunststoffschaum oder mit Wabenmaterialien. In den dargestellten Sandwichstrukturen übernehmen die hochfesten und hochsteifen CFK-Deckschichten die Übertragung großer Lasten bei kleiner Verschiebung. Der Sandwichkern verhindert das Ausbeulen der Deckschichten und sorgt im Fall von Aluminiumschaum gleichzeitig für gute Dämpfungseigenschaften. Die Hybrid-Bauweise ermöglicht so die Fertigung komplexer und hochbelastbarer geometrischer Strukturen bei gleichzeitiger deutlicher Gewichtsersparnis.

Anwendung im Maschinen- und Anlagenbau

Bei einer Laserschneidanlage der Firma Trumpf Sachsen GmbH sollte das Beschleunigungsvermögen des ca. 3,5 m langen Querbalkens auf 2,5 g erhöht werden. Die gewünschte Dynamikerhöhung war allein mit metallischen Werkstoffen nicht machbar. Die bei höheren Beschleunigungen auftretenden Kräfte hätten zu einer Positionsabweichung am Laserkopf geführt, was mit der geforderten Schnittqualität unvereinbar gewesen wäre.
Gemeinsam mit dem Fraunhofer IWU wurde ein idealer Querbalken in CFK-Hybrid-Bauweise entwickelt, mit dem nicht nur die Masse halbiert, sondern gleichzeitig die Bauteilsteifigkeit verdoppelt werden konnte. Umfangreiche Untersuchungen im Hinblick auf die Automatisierbarkeit der Fertigungstechnologie und Kosteneinsparungspotentiale zeigten, dass sich die Mehrkosten dieser CFK-Variante nach dreieinhalb Monaten aufgrund der Produktivitätssteigerung rentieren. Mit dem Querbalken wurde
nachgewiesen, dass sich der Einsatz von FKV-Bauteilen im Maschinen- und Anlagenbau sowohl technisch als auch betriebswirtschaftlich lohnt.
Ein weiteres Beispiel für einen effektiven Leichtbau ist der dargestellte Prototyp eines Schweißzangenarmes, der ebenfalls in CFK-Hybridbauweise ausgeführt wurde.