Leichtbau: So profitiert der Maschinenbau von der neuen Lösung

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Zum Verstärken von Bauteilen durch CFK werden meist Patches aufgesetzt. Eher ungewöhnlich ist es, Faserhalbzeuge in einen Profilquerschnitt einzuziehen.

Die Idee zur Lösung einer inneren Verstärkung von Bauteilen wurde kürzlich mit dem Preis „ThinKing“ der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg (Leichtbau BW GmbH) ausgezeichnet. Ein niedriges Gewicht, Stabilität, Steifigkeit und Dämpfung sind das Ergebnis einer aus dem Maschinenbau auf andere Anwendungen und Branchen übertragbaren Leichtbau-­Lösung für eine Stickmaschine.

Leichtbau: Innovation im Maschinenbau

Die Inno­vation der Tajima GmbH wurde beim ThinKing im Juni 2021 präsentiert. Damit zeichnet die Leichtbau BW jeden Monat innovative Produkte oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg aus. Die Vorteile der von der Leichtbau BW prämierten Lösung im Überblick:

• Produktionseffizienz: Hybridprofile verbessern Dynamik, Qualität und Leistungsfähigkeit der Maschinen.

• Materialeffizienz: Eine um etwa 25 Prozent verbesserte Steifigkeit der Profile erlaubt bei gleichen Eigenschaften das Einsparen von Material und Gewicht.

• Energieeffizienz: Steif, leicht und dämpfend – diese Mixtur ist optimal für Energieeinsparungen bei Maschine und Mobilität.

• Nachrüstbar: Ein nachträgliches Verstärken von Standardprofilen ist möglich.

„Immer wieder hat uns der Aluminium-Stickrahmen bei den Mehrkopfmaschinen Probleme durch Vibration bereitet. Und auch bei der Stabilität des Rahmens war noch Optimierungspotenzial“, berichtet Martin Hofmann, Leiter des Bereichs Sondermaschinen bei der Tajima GmbH. Die Rahmen der Stickmaschinen können eine Größe von 9 x 2,5 Meter erreichen, wobei die Stickereien Zugkräfte induzieren, gegen die der Rahmen bestehen muss. Vibrationen sind vor allem bei schnell laufenden Maschinen eine Herausforderung für die Auslegung und den Betrieb. Zudem verursachen diese einen erhöhten Wartungsaufwand und vermindern die Produktqualität. Vi­brationsgefährdete Bauteile müssen häufig gleichzeitig leicht und steif sein – und im besten Fall auch eine schwingungsdämpfende Wirkung besitzen.

Anforderungen an Stabilität, Steifigkeit und Dämpfung erfüllt

Bei industriellen Stickmaschinen bewegt der Rahmen das Gewebe. Seine Bewegungen können eine Frequenz von 1.200 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. Doch wie können die harzgetränkten Fasern in die Profile nachträglich eingezogen werden? Diese Anforderung erfüllt Lösung, die im Juni 2021 den ThinKing erhalten hat.

Die Methode zur Herstellung der innen mit Carbonfaser verstärkten Aluminiumhohlprofile wurde von der Tajima GmbH gemeinsam mit dem Institut für Flugzeugbau (IFB) der Universität Stuttgart entwickelt. Das mit Harz getränkte Fasermaterial wird durch eine Art umgekehrtes „Nass-Pultrusionsverfahren“ in die Standard-Aluminiumprofile eingezogen, deren Innenfläche für eine optimierte Haftung vorbehandelt ist.

Leichtbau: Kombinieren der positiven Eigenschaften des Werkstoffes

Durch den ungewöhnlichen Aufbau – außen Aluminium (kratzfest, chemikalienbeständig, isotrop) und innen CFK (hochfest, sehr leicht, gute Dämpfungseigenschaften) – können die positiven Eigenschaften des jeweiligen Werkstoffes vorteilhaft 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 Herstellungsverfahrens können Aluminiumprofile – beispielsweise von Item oder Bosch, die im Maschinenbau sehr verbreitet sind – auch nachträglich durch das Einziehen des Faserverbundkerns in ihren mechanischen Eigenschaften optimiert werden. Im Idealfall ergibt sich so eine Materialeinsparung um bis zu 25 Prozent, wenn bei der Auswahl der Profile bereits die um ein Viertel verbesserte Steifigkeit berücksichtigt wird. Eine mögliche Gewichtsreduzierung lässt sich erreichen, wenn ein schlankeres Aluminiumprofil verwendet wird. Durch die verbesserten Eigenschaften des Aluminiumprofils eröffnen sich noch weitere Anwendungsgebiete im Leichtbau. Eine verbesserte Stabilität und gleichzeitige Gewichtseinsparung führen in der Mobilität zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch beziehungsweise höherer Reichweite.

Auch im Maschinenbau ergeben sich wesentliche Vorteile hinsichtlich Dynamik, Materialeffizienz und Energieverbrauch – und darüber hinaus für neue Produkte. Erste CFK-innenverstärkte Profile setzt die Tajima GmbH bereits in Pilot­anwendungen auf den eigenen Maschinen ein. Aufgrund der verbesserten Steifigkeit wird jetzt beispielsweise das Besticken von Automobilteppichen mit Heizungselementen möglich, das jetzt vor allem durch die wachsende Elektromobilität stark nachgefragt wird. Eine besondere Herausforderung 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 die Tajima GmbH zur Weiterentwicklung der Technologie weitere Partner aus Industrie und Forschung.

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