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Vorteile von Composites

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe haben sich inzwischen als Konstruktionsmaterial in vielen Bereichen, allen voran der Automobil- und der Luftfahrtindustrie, aufgrund ihres geringen Gewichts in Kombination mit ihrer hohen Belastungsfähigkeit etabliert.

Im Maschinen- und Anlagenbau werden die modernen Composites dagegen bislang nur wenig eingesetzt, obwohl Leichtbau auch hier zu Einsparungen führen könnte und sich zudem der Werkzeugbau teilweise vereinfachen ließe. Ein Hauptgrund dafür sind die speziellen Eigenheiten der Verbundstoffe, die eine andere Handhabung erfordern als Metall oder die gewohnten Kunststoffe. Um zu zeigen, wie sich die Vorteile von Composite-Materialien auch in diesem Bereich umsetzen lassen, hat einer der führenden Entwicklungsdienstleister Deutschlands, ARRK|P+Z Engineering, für die Transporteinheit von Industrierobotern einen typischen Systemträger aus CFK entworfen und konstruiert. Im Vergleich zu gängigen Modellen konnte das Gewicht dabei halbiert werden, ohne an Haltbarkeit zu verlieren. Möglich wurde dies durch die Know-how-Vernetzung innerhalb des Unternehmens, das sein Fachwissen von der Konzeption bis zum Prototyping in einem Center of Competence (CoC) Composite gebündelt hat. 

Geringes Gewicht und hohe Steifigkeit

Verbundwerkstoffe können besonders dort, wo Massen schnell bewegt werden müssen, durch ihr sehr günstiges Verhältnis von geringem Gewicht zu hoher Steifigkeit neue Optionen eröffnen. Die damit realisierbaren Leichtbaulösungen liefern speziell bei hohen Taktraten eine Performance, die sich mit konventionellen Konstruktionen in Metallbauweise nicht erreichen lässt. Bestes Beispiel für ein derartiges Einsatzgebiet sind die Handlingeinheiten von Industrierobotern, die mitsamt ihrer Last innerhalb kürzester Zeit beschleunigt werden müssen, weshalb jede Gewichtseinsparung hier eine Leistungssteigerung bedeutet. Gleichzeitig muss jedoch eine hohe Steifigkeit gegeben sein, um die transportierten Lasten präzise positionieren zu können. Darüber hinaus ist aufgrund der oft langen Laufzeiten von mehreren zehn Millionen Lastwechseln die Dauerfestigkeit der Werkstoffe ein wichtiges Kriterium. Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) erfüllt alle drei Anforderungen, so dass sich das CoC Composite Team von ARRK|P+Z Engineering entschied, aus diesem Material eine neue Art von Systemträger zu entwickeln, der im Gegensatz zu Alu- oder Stahlvarianten mit 4 bis 5 kg nur rund 2 kg wiegen sollte.    

Betriebsbedingungen und Fertigungsvorgaben bestimmen die Konzeption

Um eine Lösung zu schaffen, die tatsächlich den Bedingungen des Praxisalltags entspricht, wurde zunächst ein ausführliches Lastenheft erstellt, das als Basis für die weitere Konzeption diente: Die typische Masse, die von derartigen Anlagen in Taktraten von 5 s bewegt werden muss, beläuft sich auf etwa 200 kg. Die dabei auftretenden Beschleunigungen im Normalbetrieb erreichen horizontal 2 g und vertikal 0,5 g. Allerdings wurden auch Nothaltsituationen berücksichtigt, bei denen sich die Beschleunigung kurzfristig auf 6 g horizontal und 3 g vertikal erhöhen kann. Zusätzlich kann bei ungleichmäßiger Belastung eine Torsionskraft von bis zu 250 Nm auf den Träger wirken. Für die Normallast wurde daher eine maximale Dehnung sowie für Missbrauchslastfälle ein maximaler Versagenswert als Auflage gesetzt. Das Bauteil musste diese Vorgaben erfüllen – und das bei zwei bis fünf Millionen Zyklen pro Jahr. 

Neben den erforderlichen Bedingungen für einen zuverlässigen Betrieb planten die Experten bei ARRK|P+Z Engineering schon in dieser frühen Phase auch die spätere Fertigung des Systemträgers. Dies ist umso wichtiger, als bei Composite-Werkstoffen – anders als bei Metall oder herkömmlichem Kunststoff – die Fertigung maßgeblich über die spätere Performance der Komponenten entscheidet. Sind die Fasern nicht wie gewünscht ausgerichtet oder lassen sie sich nicht wie vorgesehen um die Geometrien drapieren, kann es zu Schwächungen und frühzeitigem Versagen kommen. Da bei diesem konkreten Bauteil von einer Herstellungsmenge unter 200 Stück jährlich auszugehen war, fiel die Wahl in enger Abstimmung mit den Fertigungsspezialisten innerhalb der ARRK-Gruppe auf das Prepreg-Autoklav-Verfahren. Dabei werden mit Harz vorimprägnierte Fasermatten in eine Form gepresst und härten anschließend bei Überdruck und großer Hitze aus. 

Übergreifende Expertenrunde ermittelt optimale Gestaltung

Bei der konkreten Gestaltung kam der große Vorteil des CoC Composite zum Tragen: In dieser Fachgruppe tauschen sich unter anderem Spezialisten für Crash-Verhalten, Struktur- und Karosserieauslegung, Antriebs- und Fahrwerksfragen, Steifigkeit, Festigkeit und Vibrationsentwicklung (NVH), Simulation und Konstruktion sowie Erprobung und Versuch regelmäßig aus. Dadurch kann nicht nur die gesamte Entwicklungskette von der Konzeptanalyse der ersten Idee über die Auslegung der Bauteile bis zu den Vorbereitungsunterlagen für den Serienfertiger abgedeckt werden, vor allem lassen sich in diesem Know-how-Pool etwaige Probleme oder besondere Anforderungen frühzeitig entdecken und lösen – noch bevor der erste Prototyp gebaut wird. Dadurch werden wiederholte Änderungen am Konzept samt der darauf folgenden Umarbeitungen minimiert. Im konkreten Fall beispielsweise sollte das fertige Bauteil per Ultraschall überprüft werden können. Dank des direkten Inputs aus dem Fachbereich Erprobung und Versuch war dabei schnell klar, wie groß die Radien geplant werden mussten, um für die Prüfköpfe zugänglich zu sein. Nach dem üblichen Entwicklungsschema wären die Radien aller Wahrscheinlichkeit nach zunächst zu klein dimensioniert worden, um Material zu sparen, und erst der Versuch am echten Objekt hätte den Fehler aufgedeckt. 

Die letztlich gewählte Form basiert auf einer verstärkten Schalenbauweise, da diese Gestalt zum einen eine sehr kostengünstige Fertigung erlaubt und zum anderen ein hohes Widerstandsmoment sowie eine hohe Struktursteifigkeit in der Hauptbelastungsrichtung aufweist. Davon ausgehend wurde die Geometrie in der Folge gemäß einer lastpfadgerechten Analyse und der tatsächlichen Einsatzumgebung weiter verfeinert und detailliert. Dazu zählten unter anderem die Reduzierung von Material in wenig belasteten Bereichen, um das Gewicht und die Kosten weiter zu verringern, und die Berücksichtigung der für solche Automatisierungslösungen üblichen Schnittstellen, wie etwa Schlauchanschlüsse für Vakuumsauger. Gleichzeitig wurden zur Integration des Trägers in das Gesamtsystem große, formschlüssige Klebeflächen konzipiert, deren Durchdringungsrichtung für maximalen Halt entgegengesetzt zur Belastungsrichtung angelegt wurde.  

Simulation ermöglicht widerstandsfähige und materialreduzierte Prototypen

Um die Leistung und Beständigkeit des Entwurfs vorab zu prüfen und eventuell noch zu verbessern, setzten die Berechnungsingenieure des Teams die CAD-Daten in ein Simulationsmodell im Preprozessor ANSA um. Daran konnten mit Hilfe der Software MSC Nastran bereits verschiedene Lastfälle, beispielsweise die Beschleunigung im Normalbetrieb sowie der Nothalt bei Bewegungen in unterschiedliche Richtungen quasistatisch simuliert werden. Betrachtet wurden etwa die Quer- und Vertikal- sowie die Torsionskräfte bei asymmetrischer Gewichtsverteilung. Dabei ergab sich bei der Beurteilung der Versagenswerte nach Tsai-Wu der Nothalt-Längs als kritischster Missbrauch-Lastfall, während bei der maximalen Dehnung des CFK die quer-wirkenden Kräfte im Normalbetrieb eine besonders hohe Belastung bewirkten. Entsprechend dieser Ergebnisse aus der Simulation konnten die beiden davon betroffenen Bereiche des Trägers noch im Stadium des virtuellen Modells verstärkt werden.  Der darauf aufbauende erste Prototyp, der von ARRK Europe gefertigt wurde, konnte so bereits alle Anforderungen an Widerstandsfähigkeit und Steifigkeit erfüllen, wie auch die Prüfung per Ultraschall und CT bestätigte.

Kosteneinschätzungen zufolge würde sich bei der Serienproduktion des Systemträgers die Werkzeuginvestition auf 2.500 bis 3.000 € belaufen, der Preis pro Bauteil auf etwa 900 €. Wichtiger als der Preis sind aber die Einsparungsmöglichkeiten durch die Gewichtsreduktion:  Die endgültige Trägerkonstruktion wiegt dank des leichten Verbundwerkstoffs und des verringerten Materials nur 2 kg und damit lediglich die Hälfte eines herkömmlichen Systemträgers. Im Praxiseinsatz ergeben sich dadurch drei Optionen zur Steigerung der Produktionseffizienz. Wahlweise kann derselbe Roboter so 2 kg schwerere Lasten bewegen oder die bisherige Last schneller beschleunigen, was jeweils den Durchsatz erhöhen würde. Alternativ dazu könnte man auch einen kleineren Roboter bei gleicher Last und Geschwindigkeit verwenden, wodurch sich der Energieverbrauch verringern würde. Hinzu kommt, dass das Verbundmaterial wesentlich langsamer ermüdet als metallische Werkstoffe, so dass das Bauteil eine höhere Lebensdauer erreicht.

Fazit

In jedem Fall zeigt das Beispiel des Systemträgers für Industrieroboter deutlich die Vorteile, die Composite-Werkstoffe für den Maschinenbau in der Automatisierungsbranche hinsichtlich Kosten, Taktraten und Nachhaltigkeit haben können. Damit sich diese Eigenschaften auch im eigenen Anwendungsbereich nutzen lassen, sind jedoch angepasste Entwicklungs- und Produktionsprozesse vom Konzept bis zum Werkzeug- und Prototypenbau erforderlich, die den besonderen Ansprüchen des Materials Rechnung tragen. Spezialisierte Partner der ARRK Gruppe und die Ingenieure des CoC Composite können hier helfen, geeignete Lösungen zu finden.  

Medium

Schweizer Industriemagazin Maschinenbau

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Veröffentlichung

Ausgabe 02/2015

13.02.2015

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