Vorteile CFK gegenüber Stahl

Leichtigkeit ist im Maschinenbau an vielen Stellen gefordert. Sie begründet sich physikalisch durch eine bewegte bzw. zu beschleunigende Masse, beispielsweise eines oszillierenden Hebels, einer rotierenden Welle oder einer verfahrenden Struktur. Kohlefaserverbundwerkstoffe punkten hier mit sehr gutem Leichtbaupotenzial, dank des niedrigen spezifischen Gewichtes und einer geringen Massenträgheit bei gleichzeitig hoher spezifischer Steifigkeit und Festigkeit.

CFK hat nur rund 20 Prozent der Dichte von Stahl bzw. 57 Prozent der Dichte von Aluminium. Damit können leichte und leichteste Bauteile realisiert werden, die mit kleineren Antrieben oder teilweise sogar passiv ohne eigenen Antrieb zu bewegen sind. Dies führt, dank der damit verbundenen Energieeinsparung, zu deutlich gesenkten Betriebskosten. Zudem sorgt der Einsatz von CFK-Bauteilen für geringeren Verschleiß innerhalb der Maschine und macht sich so durch reduzierte Wartungskosten zusätzlich bezahlt. Bei den Investitionskosten wirken sich kleinere Komponenten wie Antriebe oder Wälzlager kostendämpfend aus. Im Mid-End-Segment des Maschinenbaus können diese Vorteile den entscheidenden Unterschied im Wettbewerb ausmachen und ein wichtiger Differenziator bei der Berechnung der Betriebskosten sein. Im High-End-Segment ermöglichen dramatisch reduzierte Massen schnellere Beschleunigungs- bzw. Bremszeiten, sehr schnellen Notstopp oder schnelleren Takt bei gleichzeitig geringeren Schwingungen und damit eine Differenzierung durch eine qualitativ wie quantitativ überlegene Maschinenperformance.

In Anwendungen, bei denen der Ruck, d. h. die Ableitung der Beschleunigung nach der Zeit, für den Konstrukteur von Interesse ist, führt an Maschinenelementen aus Carbon Composites zur Erreichung überlegener Maschinenperformance kein Weg vorbei.

Spezifische Steifigkeit

Die spezifische Steifigkeit, d. h. das Verhältnis von Elastizitätsmodul zu Dichte, ist der entscheidende Gradmesser für die Leichtbaueigenschaften eines Werkstoffes und wird deshalb auch oft als Leichtbaupotenzial bezeichnet. Die spezifische Steifigkeit kann in Längeneinheit, z. B. Kilometer, angegeben werden. Sie ist für alle metallischen Werkstoffe wie Stahl und Aluminium, aber auch Titan praktisch gleich. Für Kohlefaserverbundwerkstoffe dagegen können wir eine spezifische Steifigkeit bis zum Zehnfachen der Metalle erreichen und damit passgenau auf die Erfordernisse der Anwendung hin optimieren. Das hohe Leichtbaupotenzial von Carbon Composites lässt sich z. B. in kleineren Abmessungen bzw. Querschnitten umsetzen. Enge Bauraumerfordernisse, beispielsweise bei Wellen oder Walzen, können so mit einem kleineren Durchmesser entschärft werden. Zudem führt die hohe spezifische Steifigkeit des Materials zu einer geringeren Eigendurchbiegung bzw. zu einer absolut besseren Verformung unter Last im Vergleich zu Maschinenelementen aus metallischen Konstruktionswerkstoffen. Damit ist die Konstruktion größerer, ungestützter Längen bei gleichem Durchmesser oder der Verzicht auf Zwischenlager möglich.

Unübertroffene Festigkeit

Die spezifische Festigkeit, d. h. das Verhältnis der Zugfestigkeit zur Dichte, ist der zweite Gradmesser für das Leichtbaupotenzial eines Werkstoffes. Die spezifische Festigkeit kann durch Wahl eines metallischen Werkstoffs wie Stahl, Magnesium, Aluminium und auch Titan nur um etwa den Faktor zwei variiert werden. Für CFK hingegen können wir die spezifische Zugfestigkeit innerhalb einer großen Bandbreite bis zum Drei- bis Zehnfachen der Metalle einstellen. So lassen sich leichtere Bauteile mit gleicher oder höherer Festigkeit konstruieren, z. B. Zugstreben oder Strukturen, Druckbehälter oder Hydraulikzylinder. Die hohe statische und dynamische Ermüdungsfestigkeit des Werkstoffs ermöglicht auch Bauteile mit langer Lebensdauer und bietet enorme Konstruktionsvorteile für hochdynamische Anwendungen, wie z. B. oszillierende Hebel, Antriebswellen oder Schwungräder.

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DYNEXA Spezialist für Carbon

Chemische Beständigkeit

Die chemische Beständigkeit von Faserverbundwerkstoffen ist in erster Linie abhängig von den verwendeten Matrixmaterialien. Für die Konstruktion stehen daher eine Vielzahl unterschiedlicher Harzsysteme und thermoplastischer Werkstoffe zur Verfügung, mit denen die chemische und thermische Beständigkeit des Bauteils an unterschiedliche Umgebungen angepasst werden kann. Dabei erfreuen sich gerade duroplastische Faserverbundwerkstoffe mit speziellen hochbeständigen Matrixwerkstoffen beim Einsatz in der Verfahrenstechnik oder im Anlagenbau großer Beliebtheit. Auf der Bauteiloberfläche wirkt die geschlossene Harzmatrix als Schutzschicht gegen Chemikalien und andere aggressive Medien. Natürlich lässt sich ein gewisser Alterungsprozess des Materials auch bei FVK nicht komplett verhindern. Aufgrund von zeit- und konzentrationsabhängigen Diffusionsprozessen der umgebenden Medien, nimmt der Faserverbundwerkstoff Feuchtigkeit auf und verliert so einen Teil seiner mechanischen Eigenschaften. Allerdings verlaufen diese Prozesse sehr langsam und sind selbst bei hochaggressiven Medien in Jahren zu bemessen. Aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit eignen sich speziell ausgeführte Verbundwerkstoffe daher sehr gut als Ersatz für Edelstahl oder andere Metalle.

Kostengünstiger Werkstoff

Faserverbundwerkstoffe, insbesondere Kohlefaserverbundwerkstoffe, gelten als vergleichsweise teures Material. Betrachtet man lediglich die Kosten je Kilogramm Werkstoff, trifft diese Annahme durchaus zu, greift aber aufgrund der niedrigen Materialdichte entschieden zu kurz. Bei einem aussagekräftigeren Vergleich der preisspezifischen Festigkeit verschiedener Werkstoffe zeigt sich, dass Kohlefaserverbundwerkstoffe in der Anwendung mit den etablierten metallischen Konstruktionsmaterialien mithalten können. Belastbare Kostenvergleiche ergeben sich erst in jeder einzelnen Anwendung durch einen Vergleich der Lebensdauerkosten (TCO, Total Cost of Ownership), wobei faserverbundtypische Vorteile, wie z. B. der Entfall einer Lagerstelle bei einer längeren Antriebswelle, mit berücksichtigt werden.


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