Springen wie ein Floh

BIONIK – Hohe Kadenzen, rasante Beschleunigungen und abruptes Stoppen beanspruchen Maschinenteile aufs Äußerste. Ein Faserwerkstoff punktet für hochstabile Leichtbaukonstruktion.

20. Juni 2008

Die Natur erfüllt die Anforderungen hoher Beschleunigungen und geringer Massenträgheiten ganz selbstverständlich. Ein gutes Beispiel ist der Bewegungs- und Sprungapparat des Flohs: Auf die Größe des Menschen bezogen, springt er aus dem Stand 300 Meter hoch und übersteht die anschließende Landung völlig unbeschadet. »Unsere Technik ist noch nicht so weit, aber wir sind auf gutem Wege«, sagt Thomas Decker von Faigle und verweist auf den Werkstoff Igorex: »Durch seine belastungsorientierte Endlosfaserverstärkung eignet er für die Leichtbaukonstruktion .« Denn hohe Fallhöhen, rasantes Beschleunigen und abruptes Stoppen können nur hochfeste Bauelemente mit kleinen Massenträgheitsmomenten unbeschadet überstehen. Decker: »Laufend steigende Anforderungen auf diesem Gebiet fordern daher hochstabile Leichtbaustrukturen.«

Bei der neuen Variante des PCP-Verfahrens (Precision Composite Pressing) wird aus einem Hybridgarn aus hochfesten, endlosen Verstärkungsfasern und Fasern aus thermoplastischem Kunststoff in einem Stickprozess ein Rohling hergestellt. Die Fasern werden so abgelegt, dass sie für den jeweiligen Belastungsfall einen optimalen Verstärkungseffekt bringen. Dieser kompakte und exakt auf die Belastung ausgelegte Strickrohling wird in ein beheiztes Presswerkzeug eingelegt, bis zum Schmelzpunkt des thermoplastischen Garnbestandteils erhitzt und dann zu einem fertigen Faserverbund-Bauteil verpresst. Die thermoplastischen Fasern des Hybridgarns bilden dabei die Matrix des fertigen Bauteils. Da die Fasern beim Verpressen ihre Orientierung beibehalten, erhält es genau die vom Konstrukteur vorgesehenen Festigkeitseigenschaften. Als Verstärkungsfaser dient derzeit meist Kohlefaser, während die Matrix zum Beispiel aus Polyamid (PA12) besteht, das sich in diesem Zusammenhang vor allem durch eine sehr gute Schlagzähigkeit auszeichnet. Außer dieser Materialkombination sind auch Glas- oder Aramidfasern möglich. Bei den Matrixwerkstoffen steht eine Vielzahl von Thermoplasten zur Auswahl, darunter auch Polyetheretherketon (PEEK).

Besonders bei Funktionsteilen, die mit minimalem Gewicht höchste Stabilität erreichen müssen, bedeuten nachträglich angebrachte Bohrungen, Ausnehmungen oder abrupte Änderungen des Querschnitts eine empfindliche Schwächung. Denn genau an diesen geschwächten Stellen konzentrieren sich oft die Kraftlinien und somit die auftretenden Spannungen. »Hier bietet Igorex mit bionischer Faserverstärkung die Lösung, denn seine Verstärkungsfasern können unterbrechungslos um diese Schwachstellen herum geführt werden. Auf diese Weise befinden sich in diesen engeren Bereichen ebenso viele Verstärkungsfasern wie dort, wo der volle Querschnitt zur Verfügung steht«, erklärt Thomas Decker.

Das Stickverfahren bietet große Freiheiten beim Design der Faseranordnung. Durch unterschiedliche Lagenanzahl der Hybridfasern können je nach Einsatzanforderungen lokal unterschiedliche Wanddicken des Bauteils aufgebaut werden. Und da durch die Präzision des Pressverfahrens in der Regel nachträgliche zerspanende Bearbeitungen überflüssig sind, werden die Verstärkungsfasern auch nachträglich nicht verletzt. Damit erfolgt ein ununterbrochener Kraftfluss in einem optimal für die auftretende Belastung konzipierten Bauteil. Durch die Möglichkeiten moderner Sticktechnologie sind auch komplexe, filigrane Faseranordnungen kostengünstig herstellbar. Das PCP-Verfahren mit bionischer Faserverstärkung eignet sich damit hervorragend für die wirtschaftliche Produktion von Serienbauteilen auch in sehr großen Stückzahlen. Mit dem PCP-Verfahren konnten bisher Bauteile mit entweder einer wirren Richtungsverteilung der Verstärkungsfasern oder einem lagenweisen Aufbau aus unidirektionalen Tapes mit definierten Faserrichtungen hergestellt werden. Auf Hochleistungs- Stickmaschinen erhalten nun auch gepresste Bauteile die vom Konstrukteur vorgegebene Faserorientierung in Belastungsrichtung. Die Verstärkungsfasern der Bauteile nehmen nun auch bei höchst kompakter Auslegung die vorgesehenen Belastungen auf. Gebogene Formausprägungen entstehen nun schon im Presswerkzeug und müssen nicht mehr durch nachträgliches Biegen erzeugt werden. Die Fasern sind daher auch im Bereich von Biegungen gestreckt und damit in der Lage, Kräfte optimal aufzunehmen.

ps

Fakten

Die Faigle Gruppe stellt Formteile für tribologisch und dynamisch hoch beanspruchte Produkte her. Sie bietet Lösungen aus thermoplastischen Kunststoffen, Bauteile aus kombinierten Herstellverfahren (Spritzguss, Extrusion, Zerspanung), ist Marktführer bei Rollen im Fahrtreppenbereich. Faigle stellt Thermoplast-Composites (Igorex) und die Kunststoff-Halbzeuge ›1st-cut-service‹ her.

Erschienen in Ausgabe: 04/2008