Technische Daten im Vergleich

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Paul Bieber
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1 Modul 2 Thema: - Technische Daten im Vergleich - Warum CFK als Material für Wellen und Walzen Technische Daten im Vergleich Dichte kg/dm³ E-Modul N/mm² Festigkeit N/mm² Wärmeausdehnungs- koeffizient: x1e-6 1/K CFK HT 1, Dichte kg/dm³ E-Modul N/mm² Festigkeit N/mm² Wärmeausdehnungskoeffizient: x1e-6 1/K Stahl 7, Aluminium 2, Magnesium 1,

2 Technische Daten im Diagramm Dichte kg/dm³ E-Modul 1 N/mm² Carbon Stahl Alum. Magnesium Carbon Stahl Alum. Magnesium Festigkeit N/mm² Wärmeausdehnungskoeffizient: 1xE-6 1/K Kooperationsforum 125 Leichtbau- und Hochleistungswerkstoffe in München am Carbon Stahl Alum. Magnesium Carbon Stahl Alum. Magnesium 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 9 mm haben. Die Wandstärke und der Lagenaufbau wird individuell dem Anwendungsfall des späteren Einsatzbereiches angepasst. Durch die mögliche Faserorientierung von - 9 können die entstehenden Kräfte optimal aufgenommen werden. Durch eine Nachbearbeitung auf speziellen Schleifmaschinen wird ein hervorragender Rundlauf und optimale Passgenauigkeit garantiert. 2

3 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. Übersicht der wichtigsten Verarbeitungsverfahren Handlaminierverfahren Autoklav-Verfahren 3

4 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. 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 -9 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 auf Maß geschliffen werden. 4

5 Wissen über aus CFKCFK Leichte Wellen Warum Prepreg Wickeltechnik? - Individueller Lagenaufbau möglich - direkte Einflussnahme auf mögliche Kräfte - hohe Konzentrizität - optimaler Rundlauf - unkomplizierte Prototypenfertigung - optimaler Produktionsprozess für eine sichere Serienfertigung Quelle: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Häberle ZFH Zentrum für Faserverbunde Haldensleben GmbH CG TEC News vom Juli 28 OLIVER KIPF Wissen über aus CFKCFK Leichte Wellen Technische Informationen Außendurchmesser: 51 mm Innendurchmesser: 47 mm Länge: 19 mm Bidirektionales Gewebe Kooperationsforum CG TEC News Durchbiegung: <,1 mm Außentoleranz: +/-,3 mm Axiale Steifigkeit: 14.4 kn Masse: 119 g Bruchkraft Zug: 212 kn Knicklast kn Leichtbau- und Hochleistungswerkstoffe in München am vom Juli 28 OLIVER KIPF 5

6 Bearbeitung Lagerring und Naben werden aus einem in der Prepreg Wickeltechnik hergestellten Rohling auf CNC Dreh- und Fräsmaschinen bearbeitet. Lagerring Rohling: Breite: 15 mm Da: 49 mm Di: 45 mm Nabe Rohling: Breite: 2 mm Da: 7 mm Di: 29 mm Fertigmaß: Fertigmaß: Breite: 15 mm Breite: 17 mm Da: 48 mm Da: 7 mm Kooperationsforum Leichtbau- Di: und 46 Hochleistungswerkstoffe mm in München am Di: 32 mm 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 4 N/mm² erreicht man eine Verbindungsfestigkeit von rund 17. N, was einer Gewichtsbelastung von 17 t entspricht! 6

7 Wo können Carbonwellen zukünftig eingesetzt werden? Sportgeräte Luftfahrt Messtechnik Automotive Anlagen und Maschinenbau Vorteile der CFK-Werkstoffe im Bereich von Wellen und Walzen 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 Hohe Energieabsorption 7

8 Fazit: Mit Wellen aus CFK kann die Produktivität von Maschinen, Anlagen und Anwendungen in den verschiedensten Bereichen erheblich verbessert werden. 8

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