Carbon – ein dynamischer Werkstoff

Carbon (CFK) – ein dynamischer Werkstoff

Wo sich unterschiedlichste Bauteile in einer Maschine bewegen, treten in der Regel Schwingungen auf. In den meisten Fällen sind diese unerwünscht, da sie zu ungenauen Ergebnissen führen, die Dynamik der Prozesse beschränken oder zu erhöhtem Verschleiß einzelner Komponenten beitragen. Maschinenschwingungen maximal zu begrenzen oder sogar ganz zu vermeiden, ist eine hochkomplexe konstruktive Aufgabe, die im Ergebnis zu deutlich höherer Effizienz und Produktionsqualität führt. Für Maschinenbauteile aus Faserverbundwerkstoffen stehen verschiedene technisch interessante Maßnahmen zur Verfügung, um unerwünschte Maschinenschwingungen einzudämmen.

Hohe, einstellbare Dämpfung

Bei der Konstruktion mit Faserverbundwerkstoffen können wir auf der Werkstoffebene durch eine Änderung des Dämpfungsgrads oder der Eigenfrequenzen eine gezielte Polverschiebung der Schwingung bewirken und Anregungen damit unschädlich machen. Faserverbundwerkstoffe weisen durch ihre spezi­fischen Materialeigenschaften bereits von Haus aus hohe Dämpfungsgrade auf, die wir durch optimierte Schichtverbünde noch einmal um ein Mehrfaches steigern können. Durch Umwandlung der Schwingungsenergie in innere Wärme können wir für eine Reduzierung der Amplitude und ein beschleunigtes Abklingen induzierter Schwingungen sorgen. Die erzielbaren Dämpfungsgrade, gemessen als logarithmisches Dekrement, können bis zum Zwanzigfachen der Werte für Stahl betragen und bei der Auslegung des Bauteiles auf die optimale Dämpfung für die gewünschte Anwendung eingestellt werden. Dies ermöglicht z. B. ein abrupteres Positionieren des Bauteils bei hochdynamischen Anwendungen und sorgt so für einen ruhigeren Lauf der Maschine oder eine bessere Qualität von Messsignalen.

Justierbare Eigenfrequenzspektren

Dank der vielfältigen Konstruktionseigenschaften von Faserverbundwerkstoffen lassen sich auch die Eigenfrequenzen eines Maschinenbauteils gezielt auf die Erfordernisse der Anwendung einstellen. Sie lassen sich durch Variationen der Bauteilsteifigkeit z. B. gezielt in Bereiche verschieben, in denen die Komponente durch ihre Umgebung keine Anregung mehr erfahren kann. Bei Maschinenelementen aus metallischen Werkstoffen hingegen sind die Eigenfrequenzen durch die Geometrie fest vorgegeben. Auch hier ermöglichen Faserverbundwerkstoffe intelligente Lösungen und Produkte jenseits der Möglichkeiten klassischer Werkstoffe.

Dynamic material – DYNEXA

Niedrigere Schwingungsniveaus

Die Kombination der werkstofftypisch niedrigen anregenden Bauteilmasse, der hohen Dämpfung und der hohen, in Bereichen „einstellbaren“ Eigenfrequenzspektren führt insgesamt zu einem niedrigeren Schwingungsniveau. Somit fallen beispielsweise Rotorasymmetrien bei Wellen oder Walzen aus CFK viel kleiner aus. In der Folge können bei einem gleichen Schwingweg wie bei einer metallischen Ausführung viel höhere Geschwindigkeiten gefahren oder bei gleicher Dynamik eine höhere Laufruhe erreicht und damit z. B. genauere Messergebnisse abgelesen oder bessere Bearbeitungsergebnisse erzielt werden.

Adaptronische Tilgung von Schwingungen

Durch die Verwendung zusätzlicher Schwingungstilger bzw. Schwingungsdämpfer können nieder- und hochfrequente Schwingungen in Maschinen weiter reduziert werden. Tilger beruhen auf einem Feder-Masse-System, das der Störschwingung entgegenwirkt und diese dadurch beruhigt. Dabei richtet sich die Masse des Tilgers nach der Masse des zu beruhigenden Systems. Werden zusätzliche dämpfende Elemente verwendet, spricht man von Schwingungsdämpfern. Wir haben einstellbare Tilger entwickelt, mit denen es ohne zeitaufwendige Entwicklungen möglich ist, Tilgerpunkte zu verschieben und so Störschwingungen zu beseitigen oder Eigenfrequenzklippen zu umschiffen.

Die hohe Schule der Adaptronik

Mithilfe von Aktuatoren, die gezielt künstliche Gegenschwingungen mit geregelter Phase und Amplitude erzielen, lassen sich Körperschallinterferenzen erzeugen, die Schwingungen auslöschen. Derart aufwendige Lösungen bieten wir in Zusammenarbeit mit erfahrenen Spezialisten aus unserem Netzwerk an. Die Partner Adaptronik und Composites ergänzen sich dabei in bester Weise und ermöglichen geniale Lösungen von hoher Komplexität.

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