Wissen über CFK Modul 2 08

Wissen
über aus
CFKCFK
Leichte
Wellen
Modul 2
Thema:
- Technische Daten im Vergleich
- Warum CFK als Material für Wellen und
Walzen
Kooperationsforum Leichtbau- und Hochleistungswerkstoffe in München am 07.02.2008
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vom Juli 2008
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Leichte
Wellen
Technische Daten im Vergleich
Dichte kg/dm³
E-Modul N/mm²
Festigkeit N/mm²
Wärmeausdehnungs- koeffizient:
x10E-6 1/K
Dichte kg/dm³
E-Modul N/mm²
Festigkeit N/mm²
Wärmeausdehnungskoeffizient: x10E-6 1/K
Stahl
7,8
210000
300 – 1400
11
CFK HT
1,7
120000
3400
0
Aluminium
2,7
70000
200 – 500
23
Magnesium
1,74
42000
150 – 350
25
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Technische Daten im Diagramm
Dichte kg/dm³
E-Modul 1000 N/mm²
8
250
7
225
200
6
175
5
150
4
125
3
100
75
2
50
1
0
25
Carbon
Stahl Alum. Magnesium
Festigkeit N/mm²
3500
3250
3000
2750
2500
2250
2000
1750
1500
1250
1000
750
500
250
0
0
Carbon
Stahl
Alum. Magnesium
Wärmeausdehnungskoeffizient: 10xE-6 1/K
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
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Carbon Stahl Alum. Magnesium
Carbon Stahl Alum. Magnesium
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Was ist eine Welle?
Wellen und Achsen sind rotierende Maschinenkomponenten, wobei
eine Achse kein Drehmoment überträgt. Wellen und Achsen drehen
sich in Lagern. Auf Wellen und Achsen befestigt man Naben und
Lagerringe. Die Nabe ist ein Verbindungselement, um Räder,
Kupplungen oder Zahnräder auf einer Welle oder Achse zu befestigen.
Beispielsweise können Carbonwellen Bei uns im Hause einen
Durchmesser von 5 mm – 90 mm haben. Die Wandstärke und der
Lagenaufbau wird individuell dem Anwendungsfall des späteren
Einsatzbereiches angepasst. Durch die mögliche Faserorientierung von
0°- 90°können die entstehenden Kräfte optimal aufgenommen werden.
Durch eine Nachbearbeitung auf speziellen Schleifmaschinen wird ein
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hervorragender
Rundlauf
und optimale Passgenauigkeit
garantiert.
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Warum CFK für eine Welle?
Durch optimale Ausnutzung des Werkstoffes CFK und
funktionsgerechtes Gestalten des Lagenaufbaus können direkt Material
und Herstellungskosten eingespart werden.
Obwohl die Prototypenfertigung kostspielig ist, werden durch die
Einsparung von Gewicht die Betriebskosten reduziert und damit die
Gesamtkosten über den Lebenszyklus des Systems verringert.
Oftmals ist es so, dass um eine bestimmte Funktion eines Bauteils
überhaupt zu ermöglichen, darf das Gewicht der eingesetzten Welle
eine gewisse Größe nicht übersteigen, dadurch wird hier immer stärker
CFK zum Einsatz kommen.
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Übersicht der wichtigsten Verarbeitungsverfahren
Handlaminierverfahren
Autoklav-Verfahren
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Produktion einer Welle mit Pultrusion
Pultrusion bedeutet Strangziehen.
Hierbei werden die Fasern mittels einer
Raupe durch ein Harzbad und durch
verschiedene Öfen gezogen. Am Ende der
Anlage werden die Stäbe oder Rohre
individuell zugeschnitten. Vorteil ist, dass
die Rundprofile kontinuierlich in einem
zyklischen Prozess gezogen werden
können.
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Produktion einer Welle in der Prepreg
Wickeltechnik
Prepreg Wickeltechnik bedeutet,
dass imprägnierte Gewebematten nach dem
entsprechenden Lagenaufbau zugeschnitten
werden. Anschließend wickelt man diese um
spezielle Dorne. Der erforderliche Gegendruck
wird mittels einer Cellophanschicht erzeugt.
Durch die mögliche Faserorientierung von 0-90°
können entstehende Kräfte optimal absorbiert
werden. Nach dem Aushärten im Ofen werden
die Kerne entfernt und das produzierte Rohr
entcellophanisiert. Nach Bedarf können die
Wellen dann auf speziellen Schleifmaschinen
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auf Maß geschliffen werden.
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Warum Prepreg Wickeltechnik?
- Individueller Lagenaufbau möglich
- direkte Einflussnahme auf mögliche Kräfte
- hohe Konzentrizität
- optimaler Rundlauf
- unkomplizierte Prototypenfertigung
- optimaler Produktionsprozess für eine
sichere Serienfertigung
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Quelle: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Häberle
ZFH Zentrum für Faserverbunde Haldensleben GmbH
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Technische Informationen
Außendurchmesser:
51 mm
Innendurchmesser:
47 mm
Länge:
190 mm
Bidirektionales Gewebe
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Durchbiegung:
< 0,1 mm
Außentoleranz:
+/- 0,03 mm
Axiale Steifigkeit:
14.400 kN
Masse:
119 g
Bruchkraft Zug:
212 kN
Knicklast
1.266 kN
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Bearbeitung
Lagerring und Naben werden aus einem in der Prepreg Wickeltechnik
hergestellten Rohling auf CNC Dreh- und Fräsmaschinen bearbeitet.
Lagerring
Nabe
Rohling:
Breite: 15 mm
Da:
49 mm
Di:
45 mm
Rohling:
Breite: 20 mm
Da:
70 mm
Di:
29 mm
Fertigmaß:
Fertigmaß:
Breite: 15 mm
Breite: 17 mm
Da:
48 mm
Da:
70 mm
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Di: und 46
mm
Di:
32 mm
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Verbindungstechnik
Eine optimale Verbindungstechnik ist die geklebte Längspresspassung
unter Verwendung eines 2-Komponenten Epoxidharz Klebsystems.
Man presst zum Beispiel ein Lager auf eine Carbonwelle welche
vorher mit einem Epoxydharz Klebesystem benetzt wird.
Obwohl die Festigkeit von Epoxydharzklebern schon erheblich
zugelegt hat, muss verglichen mit einer Lötverbindung eine größere
Kontaktfläche zwischen Muffe und Nabe / Lagerring und Welle zur
Verfügung stehen. Wir empfehlen Durchmesser des Rohres mal drei.
Bei einer Festigkeit des Klebers von 40 N/mm² erreicht man eine
Verbindungsfestigkeit von rund 170.000 N, was einer
Gewichtsbelastung von 17 t entspricht!
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Wo können Carbonwellen zukünftig eingesetzt
werden?
Anlagen und
Maschinenbau
Sportgeräte
Luftfahrt
Messtechnik
Automotive
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Vorteile der CFK-Werkstoffe im Bereich von Wellen und Walzen
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Kooperationsforum
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hohe Steifigkeit
hohe Festigkeit
niedrige Dichte
Korrosionsbeständigkeit
hohe Schwingfestigkeit
geringe Wärmedehnung
niedrige Masse
hohe Laufgeschwindigkeit
Laufruhe durch Schwingungsdämpfung
leichte Montage und Demontage
Energieersparnis im Dauereinsatz
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Hohe Energieabsorption
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Fazit:
„Mit Wellen aus CFK kann die
Produktivität von Maschinen,
Anlagen und Anwendungen in den
verschiedensten Bereichen
erheblich verbessert werden.
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WWW.carbonscout.com
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