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CfK und GfK im Maschinenbau

Maschinenbau liefert Wachstumsimpulse für Composites

Automobilindustrie, Bauwesen Luftfahrt und Windkraft sind die großen Abnehmerbranchen für Faserverbundwerkstoffe, in denen zunehmend Serienanwendungen realisiert werden.

Bei Maschinenkomponenten und –bauteilen bieten Faserverbundwerkstoffe hohes Innovationspotential. © Insights Maschinenbau / Composites Europe

Dagegen fristet der Maschinenbau als Einsatzgebiet für Composites-Strukturen zurzeit noch ein Schattendasein. Zu klein sind die Stückzahlen, zu komplex häufig die Herausforderungen. Doch hervorragende Leichtbaueigenschaften dank geringer Dichte und Masse, hohe Festig- und Steifigkeit, Abrasions-, Korrosions-, Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, einstellbare Wärmeausdehnung, elektrische Leitfähigkeit oder Isolation sowie die Möglichkeit, Funktionen und Komponenten intelligent zu integrieren, machen die Werkstoffe zunehmend interessant für Maschinenbauer.

Ob Greifsysteme, Kegel, Pleuel, Hubbalken und Rotorbügel, Schaufelblätter, Roboterarme, Federn, Antriebswellen, Walzen oder Komponenten für Textil- und Werkzeugmaschinen - bereits heute existieren viele Anwendungen im Maschinenbau, die mit Hilfe von GfK oder CfK realisiert werden. Derzeit gibt es aber kaum hohe Volumina oder größere Serien, jedoch eine Vielzahl von Produkten mit interessantem Potenzial.

In seiner aktuellen Erhebung der Kennzahlen zum Markt für Faserverstärkte Kunststoffe hat Composites Germany alle Mitgliedsunternehmen der vier großen Trägerverbände AVK, CCeV, CfK-Valley und VDMA-Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien befragt und die Ergebnisse Anfang des Jahres in der „10. Composites-Markterhebung" veröffentlicht. Demnach wird der Maschinenbau immer stärker als eine der Anwenderindustrien im Verbundwerkstoff-Markt benannt, von der maßgebliche Wachstumsimpulse erwartet werden.

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Auch das VDI-Zentrum für Ressourceneffizienz sieht in seinem 2015 erschienenen Bericht „Bestandsaufnahme Leichtbau in Deutschland“ im Maschinen- und Anlagenbau einen großen und wachsenden Markt für Leichtbaulösungen. So zeige die Fertigung für den Energiebereich und für medizintechnische Anwendungen eine große Dynamik. „Die kurz- bis mittelfristig größten Leichtbaumärkte im Maschinenbau bestehen für hochfesten Stahl, Aluminium sowie faserverstärkte Kunststoffe (GfK, CfK, etc.)", schreiben die Autoren.

Besonders für bewegte Komponenten würden die Materialien zunehmend verwendet. „Ein Forschungsschwerpunkt ist beispielsweise die Entwicklung von hochdämpfenden Leichtbau-Verbundwerkstoffen, mit denen eine Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit und der -geschwindigkeit, der Lebensdauer sowie ein geringerer Werkzeugverschleiß erzielt werden kann", heißt es in dem Report.

Innerhalb der Composites sind die Einsatzgebiete und damit die Marktperspektiven für die einzelnen Faserverbundstoffe unterschiedlich. GfK wird im Anlagenbau vor allem in Form von Profilen oder als Rohre und Tanks, die mit dem Schleuder- oder Wickelverfahren hergestellt werden, eingesetzt. Jedoch ist das Segment „das einzig rückläufige im europäischen GfK-Markt", heißt es im „Composites-Marktbericht 2017. Dennoch sei das Potenzial etwa bei Rohren riesig, weil GfK gerade bei großen Durchmessern nur einen Anteil von 3 bis 5 Prozent am Gesamtmarkt habe.

Kleiner Marktanteil, große Wachstumsaussichten – das gelte ebenso für CfK. Zwar seien Anlagen- und Maschinenbauer noch zögerlich beim Einsatz, doch immer häufiger überzeugten diese Materialien hier die Entscheider, schätzen die Experten von Carbon Composites ein. Denn „diese Werkstoffe verschaffen mit ihren Materialeigenschaften dem Maschinenbau viele Vorteile, etwa mit ihrem hohen Innovationspotenzial", heißt es in einer Marktbetrachtung. So ermöglichten hochdämpfende Leichtbau-Verbundwerkstoffe in den diversen Anwendungen die erhebliche Reduktion bewegter Massen. Dies und eine hohe Schwingungsdämpfung seien für eine hochpräzise Werkzeugmaschine extrem von Vorteil. Denn so ließen sich kleinere Antriebe und eine Auslegung für verringerte Bearbeitungskräfte realisieren, heißt es. In der Folge steigen die Genauigkeit und damit die Qualität. Die Lebensdauer der Maschine und die Standzeiten der Werkzeuge erhöhen sich ebenfalls.

Verbundwerkstoffe im Maschinenbau werden vor allem als Sandwich- und Profilkonstruktionen in Form von CfK-Platten und -Profilen eingesetzt, CfK-Halbzeuge werden zunehmend durch Kleben gefügt. Die Bauteile eignen sich für sehr steife Konstruktionen, die selbst dann noch eine hohe Positionier-Genauigkeit zulassen, wenn enorme Beschleunigungskräfte wirken. Durch die gezielte Auswahl von Fasern und einen entsprechenden Lagenaufbau werden bei sehr geringem Gewicht vorteilhafte E-Module erreicht, die annähernd doppelt so hoch sind wie die von Stahl. CfK-Bauteile lassen sich außerdem auf eine minimale Wärmeausdehnung hin auslegen.

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