Zur Gestaltung von Maschinenkomponenten aus Faser-Kunststoff-Verbund-Halbzeugen
Andreas Landmann
Gegenstand dieser Dissertationsschrift ist der Einsatz von Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden (CFK) in Maschinenkomponenten. Gegenüber klassischen Werkstoffen wie Stahl oder Aluminium bietet CFK eine höhere spezifische Steifigkeit, eine höhere Werkstoffdämpfung und zudem den Vorteil einer einstellbaren thermischen Dehnung. Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten mit integraler Herstellung der Komponenten wird dazu eine Konstruktionsweise verfolgt, die sich einfacher, bereits ausgehärteter CFK-Halbzeuge wie Stäbe, Platten und Rohre bedient. Diese sind vergleichsweise kostengünstig am Markt verfügbar und lassen sich in einer modularen Differenzialbauweise ohne Investitionsaufwand für zusätzliche Formwerkzeuge zu komplexen Strukturen fügen.
Zunächst erfolgt die Bewertung maschinentypischer Umgebungseinflüsse wie Spänebeschuss und Kühlschmierstoffe auf den Werkstoff CFK und darauf die Eingrenzung der Einsatzmöglichkeiten. Anschließend werden grundsätzliche Vorteile des CFK-Leichtbaus anhand konkreter Anwendungsbeispiele diskutiert.
Für die zugrunde gelegte modulare Bauweise werden Vorgehensweisen zur Bauteilgestaltung erarbeitet. Dazu werden entsprechende Krafteinleitungen und Verbindungstechniken entwickelt und im Versuch geprüft. Eine Anwendung dieser Bauweise erfolgt schließlich an drei für Bearbeitungsmaschinen typischen Komponenten: einer Hubtür, einem Schwenkarm und einem Fräsmaschinenportal. Dabei werden verschiedene Konstruktionsansätze verfolgt und deren Potenzial zur Ausschöpfung der CFK-spezifischen Vorteile bewertet. Im Anschluss erfolgen die prototypische Herstellung und eine umfangreiche, messtechnische Untersuchung. Zuletzt wird anhand der ermittelten Bauteilkosten die Wirtschaftlichkeit dieser neuartigen Komponenten abgeschätzt.
