Ausgereizt ist das technisch Machbare nur im Blick auf metallische Werkstoffe. Doch CFK eröffnet ein weiteres Innovationspotenzial: Beispiele sind Werkzeuge, die trotz Temperaturschwankungen genau bleiben. Oder Antriebswellen mit einem Performance-Sprung gegenüber konventionellen Stahlwellen.
Die Besonderheit von Faserverbundwerkstoffen lässt sich einfach auf den Punkt bringen: Erstmals bestimmen die Anforderungen an ein Bauteil die Eigenschaften des Materials. Wo herkömmliche Werkstoffe aufgrund der Materialzusammensetzung feste oder nur wenig veränderbare Funktionen mitbringen, punkten Faserverbundwerkstoffe durch ihre Einstellbarkeit. Möglich wird dies durch die einzigartige Zusammensetzung, zum Beispiel bei Carbonfaser-verstärktem Kunststoff (CFK): Kohlenstofffasern in einer Matrix, bestehend aus speziellen Harzsystemen oder thermoplastischen Kunststoffen, bilden das Verbundmaterial, bei dem jede Komponente unterschiedliche Aufgaben übernimmt.
Die Kohlenstofffasern weisen eine Steifigkeit und Zugfestigkeit auf, die die von Stahl um ein Mehrfaches übersteigen, und das bei einem Bruchteil des spezifischen Gewichts. Sie sind elektrisch leitfähig, haben eine mittlere bis sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und eine nicht vorhandene bis negative Wärmeausdehnung. Die Matrix übernimmt die Aufgabe, die Faser einzubetten, zu stützen, in Form zu bringen und für eine Kraftübertragung zwischen den Fasern und den unterschiedlichen Faserschichten zu sorgen.
Insbesondere das hohe Leichtbaupotenzial des Werkstoffs bietet große Vorteile für den Einsatz im Maschinenbau. Überall dort, wo Massen dynamisch bewegt oder beschleunigt werden müssen, lassen sich mit Composite-Werkstoffen leichte und leichteste Bauteile realisieren. Sie verursachen deutlich geringere Energiekosten oder erhöhen die Bearbeitungsgeschwindigkeit, sie benötigen kleinere Antriebe oder Lager und steigern in der Folge die Maschinenproduktivität beziehungsweise führen zu niedrigeren Total Cost of Ownership (TCO).
Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe weisen von Haus aus sehr hohe Dämpfungsgrade auf. Sie sorgen damit für eine Reduzierung von Schwingungsamplituden und ein beschleunigtes Abklingen indizierter Schwingungen. Und sie eignen sich sehr gut als Werkstoff, um Schwingungen mittels adaptronischer Maßnahmen aktiv zu kompensieren. Daneben lassen sich faserverstärkte Kunststoffe mit den verschiedensten Wärmedehnungseigenschaften, bis hin zu einer Wärmedehnung von Null, ausstatten.
Gemeinsam mit dem Unternehmen Mapal hat die Xperion Components GmbH & Co. KG, Laudenbach, eine Werkzeuglösung mit CFK-Elementen zur Feinbearbeitung großer Bohrungen entwickelt. Wichtige Kriterien für die Auslegung bildeten dabei das zulässige Werkzeuggewicht und das Kippmoment. Daneben mussten das dynamische Verhalten der Werkzeugkonstruktion und, entscheidend vor allem bei Präzisionsbohrungen, die Wärmeausdehnung mit berücksichtigt werden. Rohrkonstruktionen mit CFK haben bei hoher Steifigkeit nur 20 % des spezifischen Gewichts von Stahl und ein verbessertes dynamisches Verhalten. Ihr größter Vorteil liegt in der sehr geringen Wärmeausdehnung von CFK und somit in der Formstabilität und konstanten Genauigkeit des Werkzeuges bei schwankenden Temperaturen. Demgegenüber müssen andere Werkzeuge zum Ausspindeln, beispielsweise Brückenwerkzeuge, bei Temperaturänderungen nachgestellt werden, wenn große Bohrungen prozesssicher in engen Toleranzen erreicht werden sollen.
Ein weiteres Beispiel: Für eine hochdynamische Maschine mit einer oszillierenden Pendelbewegung mit 60 Hz hat Xperion Components eine Antriebswelle aus CFK entwickelt, weil die hohe Massenträgheit von Stahl die verlangte Taktung nicht zugelassen hätte. Das Bauteil sollte dieselbe Torsionssteifigkeit wie Stahl aufweisen, um über die gesamte Maschinenlänge die gleiche Bewegung erzeugen zu können. Und die Längsausdehnung der Welle sollte in Richtung Null gehen, um den Abstand der Maschinenelemente auch bei schwankender Temperatur konstant zu halten. Dank der Einstellbarkeit von CFK ließen sich alle Parameter wie gefordert einstellen und eine Antriebswelle konstruieren, die mit herkömmlichen Werkstoffen nicht hätte realisiert werden können.
James Royal Schildknecht Leiter Vertrieb bei der Xperion Components GmbH & Co. KG, Laudenbach
Xperion auf der Messe EMO: Halle 6, Stand K38
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