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Maschinenbau

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Composites United e.V.

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Composites United e.V.

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Faserverbundwerkstoffe im Maschinenbau

Während sich carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) in der Luftfahrt- und mittlerweile auch verstärkt in der Automobil-Industrie – auch in der Serienfertigung – durchsetzen, sind Anlagen- und Maschinenbauer noch zögerlich beim Einsatz von Leichtbauwerkstoffen. Doch immer häufiger überzeugen diese Materialien hier die Entscheider: Diese Werkstoffe verschaffen mit ihren Materialeigenschaften auch dem Maschinenbau viele Vorteile, unter anderem mit ihrem hohen Innovationspotenzial.

Spezifische Motivation

Eine Studie der Roland Berger Strategy Consultants und des VDMA-Forums Composite Technology (mit dem die CU über den Dachverband „Composites Germany“ verbunden ist) kommt zu dem Ergebnis, dass bei Maschinen der Leichtbau mit CFK inzwischen ein Schlüsselthema ist. CFK-Komponenten erhöhen Präzision und Lebensdauer der Systeme. Gleichwohl sind die Einsatzmotive von CFK-Komponenten – zum Beispiel im Vergleich zur Serienfertigung von Automobilen – etwas anders gelagert: Steht bei den Automobilherstellern die Senkung des Energieverbrauchs durch leichtere Fahrzeuge im Vordergrund, sind im Maschinenbau darüber hinaus die Steigerung der Produktionseffizienz und Bearbeitungsqualität ebenfalls von hoher Bedeutung.

Praktische Anwendung

Der Einsatz hochdämpfender Leichtbau-Verbundwerkstoffe ermöglicht in den diversen Anwendungen des Maschinenbaus die erhebliche Reduktion bewegter Massen. Bereits realisiert sind unter anderem Roboterarme aus CFK, Balken in Laser-Schneidmaschinen, Spannfutter, Spindelschlitten in Bearbeitungszentren und Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschinen.

Dynamische Entwicklung

Die Gewichtsreduktion steigert die Dynamik der Antriebe und reduziert den Energie- und Ressourceneinsatz. Die Entwickler streben danach, das volle Leistungspotenzial der neuen Werkstoffe unter definierten Beanspruchungen voll auszuschöpfen. Diese eigentlich entgegengesetzten Anforderungen müssen schon im Vorfeld der Produktentwicklung in Einklang gebracht werden. Damit beschäftigen sich zum Beispiel die Experten des Fraunhofer IPA. Sie entwickeln Strategien, um die Vorteile des Leichtbaus für den Maschinenbau zu identifizieren und konsequent nutzen.

Konstruktive Optimierungen

Für eine hochpräzise Werkzeugmaschine sind also geringe Massen und eine hohe Schwingungsdämpfung extrem von Vorteil. Denn so lassen sich zum Beispiel kleinere Antriebe und eine Auslegung für verringerte Bearbeitungskräfte realisieren. Diese konstruktiven Optimierungen erhöhen zudem die Bearbeitungsgenauigkeit. Kleinere Antriebe verursachen weniger Strukturschwingungen und das Überschwingen bei Beschleunigungs- wie Abbremsvorgängen wird ebenfalls reduziert. Fazit: Hochdämpfende Leichtbau-Verbundwerkstoffe schaffen annähernde Schwingungsfreiheit und steigern damit die erzielbare Bearbeitungsqualität. Die höhere Dämpfung erlaubt zudem höhere Beschleunigungen der Achsen.

Technischer Hintergrund

Strukturschwingungen führen vermehrt zu Dauerbrüchen, die die Lebensdauer von Maschinen und Baugruppen drastisch verringern. Eine höhere Dämpfung wird die Lebensdauer der Maschinen und Baugruppen also signifikant verlängern. Ein weiterer Vorteil: Die gute Dämpfung dieser Schwingungen an der Werkzeugaufnahme und im Maschinenbett führen zu besseren Bearbeitungsergebnissen bei der Oberflächengüte und zu längeren Standzeiten bei den Werkzeugen.
Die Verbundwerkstoffe im Maschinenbau werden als Sandwich- und Profilkonstruktionen verarbeitet. Dafür sind CFK-Platten und -Profile einsetzbar. Die CFK-Halbzeuge werden neuerdings vermehrt durch Kleben gefügt.

Wettbewerbsvorteile

In vielen Branchen sind die „neuen Werkstoffe“ mittlerweile ein Schlüsselfaktor für die Wettbewerbsfähigkeit. Die Anwendungspalette im Maschinenbau reicht von beschichteten, superharten Schneidwerkzeugen über Faserverbundwerkstoffe in der Fertigungstechnik bis hin zu Leichtbauwerkstoffen und der Adaptronik für Produktionsmaschinen. Vor allem diese letztgenannte Disziplin hat ein hohes Innovationspotential. Professor Holger Hanselka, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit in Darmstadt und mitverantwortlich für das Leitprojekt Adaptronik, sagt: „In zehn oder zwanzig Jahren wird die Adaptronik Bestandteil der meisten Produkte sein.“ Adaptive Systeme – ‚Smart Structures‘ genannt – sind mit integrierten Sensoren und so genannten Aktuatoren ausgestattete Verbundwerkstoffe. Sie erfassen auftretende Bauteilschwingungen oder Verformungen. Aktuatoren aktivieren dazu kompensierende Gegenkräfte, um die Vibrationen oder Verformungen zu reduzieren oder weitgehend zu verhindern. Möglich wird dies durch neue Funktionswerkstoffe wie piezoelektrische Keramikfasern. Sie geben unter Druck elektrische Signale ab – und verändern im Umkehrprinzip unter elektrischer Spannungen ihre Längenausdehnung. Dünner als ein Haar, werden sie in die Faserverbundwerkstoffe integriert. Damit wird der Leichtbau nach Ansicht von Experten einen neuen Schub erhalten, denn das größte Problem leichter Bauteile – Vibrationen und Geräuschentwicklung – könnte mit der Adaptronik-Technik gelöst werden.

Wissenschaftliche Bestätigung

Der Leichtbau wird also zunehmend auch im Maschinenbau zum Thema. Vor allem dann, wenn es um hochdynamische Prozesse wie schnelle Beschleunigungen oder Bremsvorgänge geht. Ein Beispiel dafür liefert das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), an dem ein neuer Leichtbauschlitten aus CFK entwickelt wurde, der nicht nur deutlich leichter als seine Ausführung in Stahl ist. Zudem lässt er sich auch durch Zufügen von Masse in seinem Schwingungsverhalten der jeweiligen Anwendung anpassen. Zusätzliche Gewichte beeinflussen das Eigenfrequenzverhalten und verbessern damit die Leistungsfähigkeit der Maschine insgesamt.

Erfolgreiche Produkte

Das Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen e.V. (KVB) an der Technischen Universität Chemnitz und die Fiber-Tech Products GmbH aus Chemnitz entwickeln und fertigen in Sachsen Maschinenbauteile aus CFK. Dazu gehören Hexapod-Streben, Werkzeugmaschinen-Hauptspindeln, Spindelkästen für Zahnflankenschleifmaschinen, Verkleidungen, Maschinenschleiftische und Geräteträger.

Bereits im Einsatz ist ein Leichtbaufutter der Emuge-Franken GmbH. Konstruktionsleiter Friedrich Schmauß: „Als Materialmix kommen Carbon und Stahl zum Einsatz.“ Das Ergebnis beeindruckt: Das Gewicht ließ sich von 460 auf 130 Kilogramm reduzieren. Der Energieverbrauch sank von 22.470 kWh auf rund 4.000 kWh im Jahr. Zudem konnte die maximale Drehzahl fast verdreifacht werden.

Weiterführende Ziele

Leichtbau im Maschinenbau zielt – wie gesagt – nicht allen auf reine Gewichtsersparnis, sondern auch darauf, durch Substitution dieselben oder sogar bessere Werkstoffeigenschaften zu erreichen. Die Hybridtechnologie ist hier eine besonders erfolgversprechende Strategie. Leichtbau muss dazu als Querschnittstechnologie begriffen werden: Es gilt, die gesamte Wertschöpfungskette zu erfassen, also von Forschung und Entwicklung über die technische Umsetzung bis zum Einsatz des fertigen Produkts und dem Recycling am Ende seines Lebenszyklus. Dies hat sich die CU zum Leitthema seiner Arbeit gemacht.

Abgesicherte Strategie

Die durch CFK-Konstruktionen erreichbare drastische Gewichtsersparnis erhöht die Dynamik der Achsen, lässt höhere Geschwindigkeiten zu und entlastet die gesamte Maschine. Diese Erkenntnisse werden von den Versuchsreihen und Forschungsarbeiten renommierter Institute gestützt. So haben beispielsweise die Ingenieure am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) in Aachen in verschiedenen Projekten den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen im Maschinenbau untersucht. Sie kommen zu dem Ergebnis, dass Faserverbundwerkstoffe ein hohes Einsatzpotenzial im Bereich der Werkzeugmaschinen haben. Unter anderem, weil sie eine höhere Achsdynamik und die Verwendung kleinerer Antriebsmotoren und Führungselemente erlauben und damit erheblich zur Steigerung der Energieeffizienz beitragen.

Einsparpotential

Das Thema Energieverbrauch, Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit ist im Maschinenbau sehr wichtig geworden. Die Größenordnung: Bei einem Drei-Schichtbetrieb mit 7.500 Stunden im Jahr, einem Verhältnis der Hauptzeit zur Nebenzeit von 80:20 Prozent, einer Prozesslast von durchschnittlich 25 kW und einem Grundleistungsbedarf von 10 kW (beides natürlich jeweils maschinenspezifisch) entspricht der Energiebedarf einer CNC-Maschine etwa 165.000 kWh pro Jahr. Zum Vergleich: Ein Vier-Personen-Haushalt verbraucht durchschnittlich an die 4.000 kWh pro Jahr.

Noch mehr Vorteile

CFK-Bauteile eignen sich für sehr steife Konstruktionen, die selbst bei extremen Beschleunigungskräften noch eine hohe Positioniergenauigkeit zulassen. Man erreicht durch die gezielte Auswahl von Fasern und einen entsprechenden Lagenaufbau bei sehr geringem Gewicht vorteilhafte E-Module, die annähernd doppelt so hoch sind wie die von Stahl. CFK-Bauteile lassen sich außerdem auf eine minimale Wärmeausdehnung oder nahezu vollständige Reduktion von Schwingungen hin auslegen.

Deutliche Fortschritte werden derzeit bei der Herstellung des Werkstoffs vor allem durch die Anwendung textiler Verfahren bei der automatisierten Weiterverarbeitung trockener Halbzeuge erzielt. In Kombination mit neu entwickelten, schnellhärtenden Matrix-Harzsystemen ergeben sich erhebliche Rationalisierungspotenziale. Zusätzlich können diese Weiterentwicklungen durch das Nähen, Wirken, Sticken und Stricken ergänzt werden. So wird es zudem wirtschaftlich möglich, die Verstärkungsfasern noch belastungsgerechter anzuordnen. In Summe werden diese Fortschritte den Einsatz von CFK-Bauteile auch im Maschinenbau deutlich wirtschaftlicher machen.

Gute Argumente

Bei herausfordernden Anwendungen im Maschinenbau stoßen Bauteile aus Aluminium oder Stahl schnell an ihre Grenzen. Carbonfaser-Verbundwerkstoffe ermöglichen es, bei der Leistung von Maschinen und Anlagen in neue Dimensionen vorzustoßen. Die SGL Group, Gründungsmitglied im CU, argumentiert: „Unsere Halbzeuge und Fertigbauteile bieten hohe Festigkeit und Steifigkeit sowie ein gutes Dämpfungsverhalten. Durch die breite Palette an miteinander kombinierbaren Matrix- und Carbonfaserwerkstoffen können CFK-Bauteile mit individuell an die jeweilige Aufgabenstellung abgestimmten Materialeigenschaften hergestellt werden“.

Anwendungsbeispiele:

• Greiferstangen
• Pleuel
• Hubbalken
• Rotorbügel

Der Einsatz ist mit einer ganzen Reihe von Vorteilen verbunden:

• höhere Ausbringungsmenge
• geringere Kosten bei Schadensfällen
• geringerer Energieverbrauch
• reduzierte Wartung und somit längere Standzeiten

Industriepolitische Dimension

Der Maschinen- und Anlagenbau gehört zu den wichtigsten Branchen der deutschen Investitionsgüterindustrie. Die Megatrends: Industrie 4.0, ressourcenschonender Umweltschutz, Energieeffizienz und Elektromobilität. Die Branche ist also ein wichtiger Innovationstreiber. Dabei ist der Maschinenbau mittelständisch geprägt. Rund 87 Prozent der 6.400 Unternehmen haben weniger als 250 Beschäftigte, etwa 67 Prozent weniger als 100 Beschäftigte (Branchendurchschnitt 175). Mit über einer Million Mitarbeitern (31.12.2014: 1.008.000) ist der Maschinen- und Anlagenbau der beschäftigungsstärkste Arbeitgeber in Deutschland. Gegenüber dem Vorjahr konnten über 18.000 Personen (+1,7 Prozent) mehr beschäftigt werden. Gemessen am Branchenumsatz liegt der Maschinenbau mit rund 212.1 Mrd. Euro auf Rang 2 hinter dem Fahrzeugbau (384.4 Mrd. Euro) im Jahr 2014. Während in der Automobilindustrie in großen Serien gefertigt wird, entstehen Maschinen und Anlagen häufig als Einzelstücke oder in Kleinserien. Die Branche ist mit einer Quote von 76,5 Prozent (2014) stark exportorientiert. Europa ist mit einem Anteil von 55 Prozent unser wichtigster Markt.

Umweltpolitische Dimension

In Anbetracht des hohen Energiebedarfs der Fertigung ist seine Reduzierung mehr als wünschenswert. Faserverbundwerkstoffe können und werden dazu einen wesentlichen Beitrag leisten.

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