+49 (0)671 / 201331 - 0
+49 (0)671 / 201331 - 0
Die Auswahl und der Einsatz von Werkstoffen sind immer ein Abwägen der Vor- und Nachteile auf der Suche nach dem Optimum. Denn jeder Werkstoff bringt seine ganz individuellen Eigenschaften wie Dichte, Steifigkeit oder Zugfestigkeit mit. Dabei zeigen die stabilen, massiven, starken Werkstoffe ein Handicap: ihr enormes Gewicht. Denn hohe Massen lassen sich nur mit größerem Aufwand in Bewegung bringen. Und Werkstoffen mit niedrigem Gewicht fehlt oft die nötige Belastbarkeit. Genau hier kommt CFK ins Spiel.
Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist ein Kompositwerkstoff bestehend aus Kohlenstofffasern, die als verstärkende Lagen in eine Polymermatrix eingebettet werden. Die Polymermatrix besteht meist aus einem Duroplast wie Epoxidharz oder aus Thermoplasten. Sie dient der Formgebung und dem Faserschutz, bildet die Oberfläche und sorgt für eine gute Lastverteilung. Mit der Wahl der Fasern und deren Anordnung lassen sich erwünschte mechanische Eigenschaften individuell einstellen. Das macht CFK zu einem Hightech-Werkstoff, der heute im Leichtbau unersetzlich ist.
Verbundwerkstoffe bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffen, die auf Mikroebene verbunden sind, sodass makroskopisch neue, erwünschte Eigenschaften entstehen. CFK ist ein anisotroper Werkstoff: Seine Festigkeit und Steifigkeit sind in Faserrichtung deutlich höher als senkrecht zur Faserrichtung. Durch mehrere Faserlagen in verschiedenen Faserrichtungen lassen sich die mechanischen Eigenschaften optimal auf die jeweilige Anwendung konfigurieren.
Die Materialdichte ist abhängig von der verwendeten Faser, dem Matrixwerkstoff und dem Faservolumenanteil. Bei den meisten CFK-Materialien liegt sie bei etwa 1,5 g/cm³. Auch Elastizitäts- und Festigkeitsgrößen sind je nach Faserkonfiguration unterschiedlich. Gleiches gilt für den Wärmeausdehnungskoeffizienten, da sich die Carbonfaser bei Erwärmung deutlich weniger ausdehnt als der Polymermatrixwerkstoff.
Neben den individuellen und herausragenden mechanischen Eigenschaften bringt CFK weitere Vorteile mit sich, die ihn zu einem hochinteressanten Werkstoff für verschiedenste Branchen machen:
• Zerspanbarkeit
• Gute Dämpfungseigenschaften
• Geringe Wasseraufnahme
• Hohe Abriebfestigkeit
• Hervorragende Gleiteigenschaften
• Hohe Chemikalienbeständigkeit
• Einsatztemperaturen über 200°C je nach Matrixwerkstoff
• …
Aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten ist CFK ein verbreiteter Werkstoff in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau, der Windenergie, bei Sportgeräten und vielem mehr. Auch im allgemeinen Maschinenbau ist CFK längst etabliert, wenn es um Gewichtsersparnis bei gleichbleibender Steifigkeit geht. Bei entsprechender Auslegung können CFK-Bauteile wesentlich leichter als Teile aus Stahl oder Aluminium sein. Weniger Masse bedeutet höhere Dynamik. Diesen Vorteil von CFK nutzen wir bei BUSCH Microsystems für die hochanspruchsvolle Dynamik unserer Präzisionsmaschinen.
Wir passen die Bauteile aus dem Verbundwerkstoff ideal an die von unseren Kunden geforderten Spezifikationen an. Komponenten werden individuell entsprechend der auftretenden Belastungen und Dynamiken entworfen, sodass wir die maximale Effizienz der Anwendung gewährleisten können.
BUSCH Microsystems setzt dabei auf hybride Maschinenstrukturen: Während für die Basis Granit verwendet wird, werden hochdynamisch beanspruchte Baugruppen aus CFK realisiert. BUSCH-Systeme kommen in ultrapräzisen Verfahren zur Anwendung; deshalb besteht die Herausforderung bei CFK darin, die nötige Präzision zu erreichen. Unsere erfahrenen Produktionsmitarbeiter haben einen Weg gefunden, die Güte der Ebenheit genauso präzise zu bearbeiten wie bei Granit – und mit dieser Genauigkeit wird eine ganz neue Dimension von Präzision und Dynamik möglich.
Die Dichte von CFK ist mit rund 1,5 g/cm³ nur fast halb so groß wie von Granit (ca. 2,9 g/cm³) und sogar mehr als das fünffache geringer als bei Stahl (ca. 7,9 g/cm³). Bei gleicher Belastung und Dynamik ist das Design und der Querschnitt der Bauteile aus diesen drei Materialien jedoch immer verschieden, sodass die Gewichtsersparnis stets relativ zum jeweiligen Bauteil betrachtet werden muss.
Durch den Einsatz von CFK bei BUSCH Microsystems lassen sich Gewichtsersparnisse von ca. 40 % gegenüber Granit und von bis zu 70 % gegenüber Stahl, bezogen auf das jeweilige Bauteilgewicht, erzielen. Das macht CFK in Hinsicht auf die realisierbare Dynamik zum idealen Werkstoff für unsere Präzisionsanlagen. Während wir bei Maschinen mit bewegten Komponenten aus Granit Geschwindigkeiten von 1,5 m/s und Beschleunigungen von bis zu 10 m/s² erzielen konnten, ermöglicht uns CFK eine Steigerung der Dynamik auf bis zu 5 m/s und 50 m/s².
Für ein Kundenprojekt war in einem XY-Gantry-System exakt diese Dynamik gefordert. Das machte den Einsatz von CFK unbedingt notwendig. Die im System eingesetzte Traverse besitzt ein Gewicht von knapp 36 kg. Ohne Optimierungsarbeiten und mit der gleichen Struktur hätte eine Traverse aus Granit rund 250 kg gewogen – also in etwa das Siebenfache. Mit einer Ebenheit von unter 5 µm ist die Oberfläche der CFK-Traverse genauso präzise wie die einer Granit-Traverse. Dadurch gewährleisten wir maximale Präzision bei höchster Dynamik.
Im Video sehen Sie eines unserer Hybridsysteme aus Granit und CFK in Bewegung:
