Innendruckbelastete Hohlkörper: 
Neue Anwendungsfelder für Kunststoffe

Der klassische Maschinenbau aus Stahl wird in immer mehr Bereichen durch intelligenten Leichtbau ergänzt, verbessert oder gar ersetzt. Dadurch entwickelt sich eine stärker werdende brancheninterne Akzeptanz für neue Lösungsansätze – und damit auch neue Einsatzfelder für Kunststofftechnologien. Dipl.-Ing. Jörg Zschätzsch von der EBF Dresden GmbH stellt drei interessante Lösungen aus dem eigenen Hause vor.

Die Möglichkeiten moderner Berechnungssoftware, kombiniert mit Hochleistungswerkstoffen und dem erweiterten Wissen über deren Auslegung bieten Ingenieuren die Chance, bekannte Produkte neu zu erfinden.

Faserkunststoffverbunde spielen dabei eine entscheidende Rolle. Allerdings sind sie vom Gewicht her leicht, aber in ihrer Auslegung häufig besonders anspruchsvoll. Im Gegensatz zu isotropen Werkstoffen wie Stahl oder Aluminium, welche unter Belastung in alle Richtungen gleiche mechanische Kennwerte aufweisen, müssen Faserkunststoffverbunde den zu erwartenden Belastungen speziell angepasst werden.

Die Firma EBF Dresden GmbH stellt sich als Ingenieurdienstleister seit mehr als 25 Jahren dieser Herausforderung. Mit qualifizierten Mitarbeitern auf dem Gebiet der Werkstofftechnik, der Konstruktion und dem Leichtbau werden, zusammen mit unseren Kunden, Sonderlösungen erarbeitet und bis zum Prototypenstadium entwickelt. Hier drei Beispiele aus der jüngeren Praxis:

Anwendungsfall 1: Membranspeicher mit Faserkunststoffarmierung

Aufgabenstellung: Die Firma HST-Hydrospeichertechnik GmbH aus St. Egidien verfügt über einen über 40-jährigen Erfahrungsschatz bei der Entwicklung und Herstellung von hydraulischen Druckspeichern. Dabei handelt es sich um innendruckbelastete hydraulische Druckausgleichsbehälter, die beispielsweise als Energiespeicher („hydraulische Akkumulatoren“) oder zur Druckstoßdämpfung eingesetzt werden. Die zurzeit gängigen Membranspeicher des Herstellers bestehen aus zwei tiefgezogenen Blechhalbschalen, welche mittels Schweißen zu einem fertigen Speicher gefügt werden. Zur Steigerung der Effizienz dieser Systeme ist eine Erhöhung des zulässigen Betriebsdrucks notwendig. Um den damit einhergehenden zusätzlichen mechanischen Belastungen standhalten zu können, müssten (eigentlich) die Wandstärken der Speicher erhöht werden. Ab einer Wandstärke von ca. 10 mm können die Bleche aber nicht mehr durch Tiefziehen gefertigt, sondern müssen als aufwendige Schmiedeteilhalbzeuge für den Speicherbau bereitgestellt werden. HST beauftragte die EBF Dresden GmbH, die Möglichkeit einer gezielten Verstärkung durch Faserkunststoffverbunde zu prüfen.

Ergebnis: Durch die gezielte Umwicklung mit einem Glasfaserroving, einem endlosen Glasfaserband, können die tiefgezogenen Speicher im Bereich ihrer maximalen Belastung derartig verstärkt werden, dass der zulässige Betriebsdruck von 210 auf bis zu 350 bar gesteigert werden kann. Die nach bewährten Verfahren gefertigten Halbschalen können so mit den maximalen Druckbelastungen von geschmiedeten Speichern, welche über die doppelte Wandstärke verfügen, konkurrieren. Darüber hinaus punkten sie mit einer erheblichen Gewichtsersparnis, was vor allem für bewegte und bewegliche Teile einen entscheidenden Mehrwert darstellt.

Anwendungsfall 2: Baumschnitt spürbar leicht gemacht

Aufgabenstellung: Zur Pflege von Obstplantagen kommen häufig pneumatisch betriebene Astscheren zum Einsatz. Mit einem Gewicht von etwa 3,5 Kilogramm und den notwendigen langen Hebeln stellen sie, bei einem achtstündigen Arbeitstag, eine hohe physische Belastung für Erntehelfer und Landschaftspfleger dar. Die EBF-Entwickler stellten sich der Frage: Geht das nicht auch leichter?


Lösung:
Da die einzelnen Bestandteile einer solchen Astschere zwar unterschiedlichen, aber vorhersehbaren und gerichteten mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, ist sie prädestiniert für eine Optimierung in Faserverbundbauweise. Die einzelnen Teilabschnitte können belastungsgerecht verstärkt und gefertigt werden.

Nach einer Modellierung der Astschere mittels CAD-Programm wurde die Analyse der mechanischen Belastungen mittels Finite Elemente Methode durchgeführt.


Anschließend erfolgte eine belastungsgerechte Auslegung unter Berücksichtigung der Fertigungsmethode und eine anschließende Bauteil- sowie Materialprüfung bis hin zur Überführung der Ergebnisse in Form eines Prototyps.

Durch diesen Entwicklungszyklus lässt sich das Gewicht einer solchen Astschere auf ca. 2,2 kg, also um mehr als ein Drittel, reduzieren.

Anwendungsfall 3: Druckformteile aus einem Stück

Aufgabenstellung: Die Firma thoenes® Dichtungstechnik, ein Unternehmen mit mehr als 135-jähriger Erfahrung mit Sitz im sächsischen Klipphausen, forscht an einer neuen Generation von Druckformstücken. Üblicherweise werden Rohrbögen aus Segmenten zusammengesetzt, die durch Gehrungsschnitte aus dem Rohr herausgearbeitet werden. Bei innendruckbelasteten Bauteilen müssen die einzelnen Abschnitte nicht nur verklebt, sondern zusätzlich durch Laminatverbindungen verstärkt werden, um die nötige Festigkeit zu gewährleisten. Von Nachteil ist dabei jedoch, dass der Faserverlauf in der Rohrwand durch die Schnitte unterbrochen wird und zusätzliches Material aufgebracht werden muss. Die Firma thoenes® beauftragte EBF Dresden mit einer Machbarkeitsstudie für die Herstellung von Druckformstücken in einem kontinuierlichen Prozess, welche mit bis zu 40 bar Innendruck belastet werden können.

Ergebnis: Bei den Untersuchungen wurde auf die Flechttechnologie zurückgegriffen, mit der thoenes® zuvor bereits umfangreiche Erfahrungen sammeln konnte. Durch die Rundflechttechnik ist es heute möglich, Verstärkungsfasern unter einem vorher bestimmten Winkel definiert auf einem Kern abzulegen. Entlang eines vertikalen Ringes bewegen sich die Spulenhalter während des Fertigungsprozesses auf zwei gegenläufigen sinusförmigen Kreisbahnen. Dadurch kommt es zu einer gegenseitigen Umschlingung der Verstärkungsfäden und einer Ablage des Geflechts auf einen Kern. Die reproduzierbare Fadenablage wird durch eine rechnergestützte Steuerungseinheit gewährleistet, die die Maschinenbewegungen kontrolliert. Dadurch können gezielt innendruckbelastete Verstärkungsstrukturen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Durch die gegenseitige Verflechtung der Verstärkungsfasern ergibt sich im Schadensfall eine versagensrelevante Rissstopfunktion, welche das Verfahren gegenüber anderen Herstellungsverfahren, wie dem Wickeln, positiv abhebt. Durch eine variable Auswahl an Kernstrukturen ist es möglich, zum Beispiel auch auf einem aufblasbaren Schlauch zu flechten. Bei dem als Schlauchblasverfahren bezeichneten Herstellungsprozess wird der Schlauchkern mitsamt dem Geflecht in ein Werkzeug, bestehend aus zwei Außenformhälften, gelegt, mit einer Kunststoff-Matrix infiltriert und anschließend weiter aufgeblasen, um so überflüssiges Matrixmaterial aus den Faserzwischenräumen zu pressen. Als Endprodukt entstehen so innendruckbelastete Hohlkörper aus einem Stück, die zudem eine überdurchschnittlich hohe chemische Beständigkeit aufweisen.


Mit diesem kurzen Überblick über drei Beispiele für innendruckbelastete Hohlkörper hoffe ich Ihr Interesse für Faserkunststoffverbunde und deren vielfältige Anwendung geweckt zu haben. Bei offenen Fragen oder auch produktspezifischem Leichtbau- und Optimierungsinteresse ihrer Produkte stehe ich gerne zur Verfügung. Schreiben Sie mir!