Profile mit CfK-Kern

Meinolf Droege,

Kohlefaser und Aluminium im Verbund

Zum Verstärken von Bauteilen mit Kohlefaserverstärktem Kunststoff (CfK) werden üblicherweise Patches aufgesetzt. Eher ungewöhnlich ist es, Faserhalbzeuge in einen Profilquerschnitt einzuziehen. Geringes Gewicht, Stabilität, Steifigkeit und Dämpfung sind das Resultat einer aus dem Maschinenbau auf andere Anwendungen und Branchen übertragbaren Leichtbau-Lösung für eine Stickmaschine.

Aluminiumprofil mit innenliegender CfK-Verstärkung. © Tajima

„Immer wieder hat der Aluminium-Stickrahmen bei Mehrkopfmaschinen Probleme durch Vibration bereitet. Und auch bei der Stabilität des Rahmens war noch Optimierungspotenzial“, erklärt Martin Hofmann, Leiter Bereich Sondermaschinen bei Tajima. Die Rahmen der Stickmaschinen kann bis 9 x 2,5 Meter Größe erreichen, wobei er mit Zugkräfte aus den Stickereien belastet ist.

Vibrationen sind vor allem bei schnelllaufenden Maschinen eine Herausforderung für Auslegung und Betrieb. Sie sind verursachen erhöhten Wartungsaufwand und häufig auch verminderte Produktqualität. Vibrationsgefährdete Bauteile müssen häufig gleichzeitig leicht und steif sein – und im besten Fall eine schwingungsdämpfende Wirkung bieten.

Bei industriellen Stickmaschinen bewegt der Rahmen das Gewebe. Seine Bewegungen können eine Frequenz von 1200 pro Minute erreichen. Ein niedriges Gewicht ist daher für Dynamik und Energieverbrauch wichtig, Stabilität und Steifigkeit wiederum für die Qualität der Stickerei entscheidend. Außen aufgebrachtes CfK als Option für die Verstärkung des Rahmens erwies sich als wenig praxistauglich, weshalb als Lösung nur eine innenliegende Faserverstärkung in Frage kam. Die Herausforderung war, die harzgetränkten Fasern in die Profile einzuziehen.

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Profile mit Kern aus Faserverbund

Die Methode zur Herstellung der innen mit Kohlefaser verstärkten Aluminiumhohlprofile wurde zusammen mit dem Institut für Flugzeugbau (IFB) der Universität Stuttgart als Partner entwickelt. Das mit Harz getränkte Fasermaterial wird in einer Art umgekehrtem „Nass-Pultrusionsverfahren“ in die Standard-Aluminiumprofile eingezogen, deren Innenfläche für die optimierte Haftung vorbehandelt ist. Dank des ungewöhnlichen Aufbaus – außen Aluminium (kratzfest, chemikalienbeständig, isotrop) und innen CfK (hochfest, leicht, gute Dämpfungseigenschaften) – können die positiven Eigenschaften des jeweiligen Werkstoffes gewinnbringend kombiniert werden. Jegliche Verbindungstechniken, zum Beispiel Spannclips für Standard-Profile, können weiterverwendet werden, da das Fasergewebe im Profil durch das außenliegende Aluminium vor mechanischen Beschädigungen geschützt ist.

Dank des Herstellverfahrens können Aluminiumprofile – beispielsweise von Item oder Bosch, die im Maschinenbau sehr verbreitet sind – auch nachträglich durch Einziehen des Faserverbundkerns in ihren mechanischen Eigenschaften optimiert werden. Im Idealfall ist laut Unternehmensangaben eine Materialeinsparung bis 25 Prozent möglich, wenn bei Auswahl der Profile bereits die um ein Viertel verbesserte Steifigkeit berücksichtigt werden kann. Eine mögliche Gewichtsreduzierung kann erreicht werden, wenn darauf basierend ein schlankeres Aluminiumprofil verwendet wird.

Die verbesserten Eigenschaften des Aluminiumprofils eröffnen außerdem weitere Anwendungsgebiete im Leichtbau. Verbesserte Stabilität und gleichzeitige Gewichtseinsparung führen in der Mobilität zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch oder höherer Reichweite.

Auch im Maschinenbau ergeben sich Vorteile für Dynamik, Materialeffizienz und Energieverbrauch – und darüber hinaus für neue Produkte. Erste CfK-innenverstärkte Profile setzt Tajima in Pilotanwendungen auf den eigenen Maschinen ein. Aufgrund der verbesserten Steifigkeit wird nun beispielsweise das Besticken von Automobilteppichen mit Heizungselementen möglich, das vor allem in der Elektromobilität nachgefragt ist.

Ein schwieriger Aspekt im Hinblick auf die Nachhaltigkeit des Hybridprofils ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen CfK und Aluminium. Um hier eine zukunftsfähige Lösung für das Recycling zu finden, sucht das Unternehmen zur Weiterentwicklung der Technologie Partner aus Industrie und Forschung.

Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation mit ihrem Thinking im Juni 2021. Mit diesem Label gibt der Verband monatlich innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg eine Plattform.

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