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Hydraulik-Zylinder von Hänchen aus H-CFK

09.06.2015

Extrem leichte Bauteile – mit den Fähigkeiten von Stahl

Zylinderrohr und Kolbenstange aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) – und mit der Hänchen-typischen Dichtungslauffläche mit Kreuzschliff und einer Rauheit Rz 0,8 versehen: Das ermöglicht H-CFK von Hänchen. Der neue Werkstoff ist ein von der Herbert Hänchen GmbH & Co. KG entwickelter hochbelastbarer Verbund von Carbon und anderen Komponenten, veredelt zu einem Werkstoff.

Entscheidende Unterschiede zu herkömmlichen Verbünden liegen in der Beschaffenheit der Gleitflächen, dem neu entwickelten Verfahren zum Aufbau des Verbunds, der hochfesten Verbindung von Metall und CFK und der sehr hohen Präzision der so erzeugten Werkstücke. So entstehen Hydraulik-Zylinder, die bis zu 80 % leichter, besonders biegesteif und dehnungsarm, korrosionsbeständig, amagnetisch und bis zu 50 % energieeffizienter sind. Sie eignen sich für mobile oder stationäre Applikationen ebenso wie für Testanwendungen und andere Aufgaben.

Auch im Maschinenbau gewinnen carbonfaserverstärkte Kunststoffe langsam an Bedeutung, während sie in der Luft- und Raumfahrt bereits unverzichtbar sind. Mit H-CFK hat Hänchen einige wesentliche Hindernisse überwunden, die bisher dem Einsatz von Kohlefasern nicht nur in Hydraulik-Zylindern Grenzen gesetzt haben.

Dazu zählen auch wirtschaftliche Überlegungen – insbesondere beim Einsatz im  Sondermaschinenbau, bei Einzelstückzahlen und Kleinserien. In vier Jahren intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit wurden Konstruktions- und Fertigungsverfahren erarbeitet, mit denen Bauteile wie Leichtbau-Kolbenstangen und -Zylinderrohre und somit auch ganze Zylinder aus H-CFK hergestellt werden können. Dabei erreichten die Hänchen-Entwickler Bauteile, die die gleichen Fähigkeiten wie solche aus Stahl haben und darüber hinaus geringere maximale Dehnungskoeffizienten im Vergleich zu herkömmlichen Produkten.

Gerade der Vergleich zeigt die Stärken des neuen Werkstoffs: Stahl hat eine Zugfestigkeit von 1.000 N/mm², die Carbonfaser von 5.000 N/mm². Dieser Unterschied lässt sich zwar nicht linear auf die entsprechenden Bauteile übertragen, zeigt aber die Stärken dieser Fasern.

Und während das eher weiche, weniger belastbare Aluminium ein Drittel des Gewichts von Stahl aufweist, hat CFK nur 20 % bis 25 % dieses Gewichts. Bei der Steifigkeit bietet der neue Werkstoff den Vorteil, dass er sich durch unterschiedliche Anordnung des Faserverlaufs für die jeweiligen Anforderungen designen lässt.

Für einen besonders belastbaren Verbund aus präzise angeordneten Fasern und der sie umgebenden Matrix aus Kunststoff wurden sowohl neue Materialpaarungen der Grundwerkstoffe als auch eine innovative Materialanordnung entwickelt, die in einer speziellen 7-Achs-Maschine in innovativer Weise aufgebaut wird. Dies geschieht in einem Prozess, der auch in der Einzelstückfertigung wirtschaftlich einsetzbar ist.

Die hochpräzise Lauffläche der H-CFK Bauteile

Dabei gelten natürlich die Maßstäbe für Hydraulik-Zylinder höchster Qualität: Die äußerst harten Gleitflächen von Zylinderrohr und Kolbenstange aus Spezial-Kunststoff übernehmen die Rolle der bei herkömmlichen Stangen und Rohren verwendeten Chromschicht, da sie als Gegenlauffläche für Dichtungen dienen.

Sie müssen außerdem sehr präzise sein und hohen hydraulischem Druck standhalten.  Herausfordernd ist in diesem Zusammenhang, dass Verbund-Werkstoffe aus CFK zwar wie Metalle mechanisch etwa durch Drehen, Fräsen oder Bohren bearbeitet werden können. Dabei sollte die Fertigung aber alle Unterbrechungen der Faser vermeiden, da diese die Festigkeit des Werkstücks schwächen.

Diese Rahmenbedingungen forderten die Entwicklung einer geeigneten Oberfläche, die eine Feinbearbeitung durch Honen zulässt, um den für Produkte von Hänchen typischen Kreuzschliff mit einer Rauigkeit von Rz=0,8 zu ermöglichen. Diese Schicht wird im Rahmen der Fertigung bei Hänchen in den Verbund mit eingebracht und ist somit ein fester Teil von H-CFK.

Somit werden die Bauteile innerhalb eines Produktionsprozesses einschließlich der benötigten Laufflächen hergestellt. Dieser Aufbau erlaubt eine besonders hochwertige mechanische Endbearbeitung der Oberfläche, die eine harte, nachbearbeitbare Gleitfläche für höchste Qualitätsanforderungen sicherstellt.

Sie ist 100 % korrosionsfrei und deshalb auch für Flugrost unempfindlich, der verchromte Stangen angreifen kann. All dies stellt einen reibungs- und verschleißarmen, optimalen Dichtungslauf sicher. Zusätzlich wird durch diese Laufflächen-Technologie im Werkstoff-Verbund eine entsprechende Verschleißschicht aufgebracht. Sie ermöglicht den Einsatz aller Dichtungskombinationen von Hänchen. Das gilt für Standard-Dichtungen ebenso wie für die Ausführung Servofloat® mit Ringspaltdichtung oder das hydrostatische Lager Servobear®.

Die hochfeste Verbindung zwischen Metall und Carbon

Der Fertigungsprozess erlaubt zudem eine hochfeste Verbindung zwischen Gewinde, Verschluss und anderen Anschlussteilen aus Metall und dem aus Carbon designten Bauteil, das nicht nur auf Rundausführungen beschränkt ist. Denn der Leichtbauwerkstoff hat viele Vorteile – doch als krafteinleitende Elemente eigenen sich metallische Bauteile besser.

Konventionell geklebte Verbindungen halten den hohen Belastungen beispielsweise der Hydraulik nicht stand und kommen deshalb nicht in Frage. Die besondere Wickeltechnologie von Hänchen macht es möglich, metallische Objekte wie Gewindeenden oder Ringe mit Gewinden zum Anbau von Befestigungselementen fest einzubinden. Dabei entsprechen Präzisionsmaßstäbe wie Rundheit oder Passgenauigkeit den Qualitätsansprüchen von Hänchen. So vereint H-CFK die Vorteile von reinem Carbon und Metall in innovativer Weise.

Einsatz von H-CFK Hydraulik-Zylinder

Unter diesen Voraussetzungen bietet das Traditionsunternehmen aus Ostfildern bei Stuttgart Hydraulik-Zylinder in Kleinstückzahlen, deren Kolbenstangen und Zylinderrohre aus H-CFK bestehen. Sie reduzieren im mobilen und stationären Leichtbau das Gewicht drastisch und erlauben korrosionsfreie oder amagnetische Konstruktionen. Mit einem Kolbendurchmesser bis 200 mm, einem Hub bis 1.500 mm, Kräften bis 400 kN und einem Temperaturbereich von -40° C bis 80° C lassen sich in Fahrzeugen, mobilen und stationären Anwendungen, im Offshore- und Offroad- Bereich vielfältige neue Lösungen verwirklichen. Die Präzision entspricht dabei der ISO-Qualität 7, die Stange erfüllt f7, das Rohr H7. Die Zylinderrohre aus H-CFK erlauben den Einsatz von
Drücken bis 700 bar und höher, denen bisher nur äußerst aufwändige und schwere Spezialkonstruktionen standhielten.

Hydraulik-Zylinder mit Kolbenstangen aus H-CFK bieten sich an, wenn bei gleicher Leistung Energie eingespart oder in hochdynamischen Anwendungsfällen eine höhere Beschleunigung erzielt werden soll: Je nach Einsatzfall lässt sich die Antriebsleistung deutlich reduzieren oder die jeweilige Hydraulik-Komponente bei gleicher Leistungsfähigkeit stark verkleinern. Bei Hänchen ist man deshalb sicher: Der neue Werkstoff-Verbund wird den Zylinderbau revolutionieren.

www.haenchen.de

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