Konstruktion Ausgabe 5-2013
Die Fachzeitschrift für Produktentwicklung und Ingenieurwerkstoffe enthält begutachtete Fachaufsätze von hochkarätigen Autoren aus Industrie und Wissenschaft und aktuelle Anwendungsberichte zu den Themen Maschinenelemente, Verbindungstechnik, Antriebstechnik, C-Techniken, Fluidtechnik, Automatisierung und Ingenieur-Werkstoffe.
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Titelthema
Kraftschlüssig verbinden ohne Bohren und Schweißen
Jeder gesparte oder beschleunigte Verfahrensschritt trägt bei der Montage von Produktionsanlagen zur Kosteneinsparung bei. RK Rose+Krieger entwickelte daher eine Reihe effizienter Techniken zur kraftschlüssigen Verbindung von Rohren und Profilen, die deren Montage wesentlich vereinfachen und damit eine interessante Alternative zu aufwendigen Eigen- oder Schweißkonstruktionen darstellen.
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Editorial
IKT für den Maschinenbau der Zukunft
Der deutsche Maschinen- und Anlagenbau rüstet weltweit erfolgreich Produktionsstätten und Fabriken aus. "Made in Germany" steht seit Jahrzehnten für die Qualität deutscher Ingenieurleistungen. Hochproduktive und zuverlässige Maschinen und Anlagen zu liefern, wird zukünftig allein für den Geschäftserfolg des Maschinen- und Anlagenbaus nicht mehr ausreichen. Produktbegleitende, Informations- und Kommunikationstechnik (IKT)-basierte Dienstleistungen rund um die eigentliche Maschine rücken in den Fokus. Nach einer Studie des ifo-Instituts [1] stärken diese zusätzlichen Leistungen die globale Wettbewerbsfähigkeit des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus: Sie sorgen für neue Wertschöpfung und schaffen damit Arbeitsplätze für hochqualifizierte Mitarbeiter. Allerdings sind viele Maschinen- und Anlagenbauer auf die neuen IKT-basierten Leistungen noch nicht systematisch vorbereitet: Nach einer Studie des Fraunhofer IAO [2] hat nur ein Viertel der Maschinenbauer eine explizite Strategie, welche Internet-basierten Dienstleistungen sie auf- und ausbauen werden. Und nur ein Fünftel der gleichen Unternehmen verfügt über ein passendes Geschäftsmodell.
Um mehr und neues Dienstleistungs-Geschäft generieren zu können, sollten Maschinen- und Anlagenhersteller IKT professionell nutzen. Folgende Schwerpunkte bieten sich dabei an:
- Produktionsnahe IT-Systeme, die Maschinen und Anlagen im Betrieb mit Auftragsreihenfolgen versorgen bzw. von den Maschinen Daten gemeldet bekommen, entwickeln sich zu Datendrehscheiben in den Fabriken der Zukunft. Mit ihnen müssen sich Maschinen- und Anlagen verbinden - möglichst schnell und effizient. Für den Maschinenbauer heißt dies beispielsweise, seine eigene anlagennahe Visualisierung so zu konzipieren, dass sie schnell an ein übergeordnetes System angebunden und erweitert werden kann.
- Eine der Herausforderungen an die Fabrik der Zukunft heißt Wandlungsfähigkeit. Dabei ist die zentrale Idee, dass in der Fabrik ähnlich wie in der Bürowelt selbstbeschreibende Geräte über Standard-Schnittstellen ("USB-Mechanismen") genutzt werden, z.?B. wenn neue Komponenten, Maschinen oder Anlagen in ein Produktionssystem eingebracht werden oder sich softwarerelevante Änderungen in der Produktion ergeben. Maschinen- und Anlagenbauer sollten dafür auf existierende Standards setzen, z.?B. "OPC-UA" und "AutomationML".
- Neue Technologien wie die Gestenerkennung und -steuerung ermöglichen neue Bedienkonzepte. Die bisherige Interaktion mit Maus und Tastatur kann ganz oder teilweise abgelöst werden, so dass auch Anwender ohne Computerkenntnisse intuitiv mit Maschinen zusammenarbeiten können: Ein Beispiel ist die Rückmeldeprozedur, die Produktionsmitarbeiter für Ergebnisse aus der Fertigung ausführen. Statt an das entfernt stehende BDE- oder QS-Terminal zu gehen und dort Rückmeldungen einzugeben, kann die Rückmeldung per Geste und deren Erkennung per Kamera direkt am Arbeitsplatz oder am Werkstück erfolgen. Das spart Zeit und reduziert Fehler.
- Maschine-Maschine-Kommunikation (M2M) ist ein weiterer Schwerpunkt für den zukunftsorientierten Maschinenbau. Dabei verstehen wir den Begriff "Maschine" im weitesten Sinne als Gerät, ausgestattet mit Logik, die in Software abgebildet ist. Damit reagiert das Gerät auf Befehle und erfüllt Aufgaben weitestgehend eigenständig, und es kann mit anderen Geräten in Kontakt treten. Dieses "Internet der Dinge" schafft neue Möglichkeiten für Anwendungen im Maschinenbau wie das Condition Monitoring, die Fernwartung oder das dezentrale Energiemanagement.
Der wertmäßige Anteil an Mechanik einer Maschine nimmt kontinuierlich ab - der Software- und Automatisierungsanteil steigt. Damit ergeben sich Herausforderungen eines professionellen Softwareentwicklungsprozesses, Qualitätssicherung für Software, Modelle für Software-Wartung und -Service bis hin zur Anpassung der Vertriebsorganisation, die IKT-Produkte und deren Nutzen verkaufen kann.
Zukünftig wird die Fabrik mit Hilfe spontan vernetzbarer und echtzeitfähiger Software funktionieren - mit gravierenden Auswirkungen auf die Struktur der Wertschöpfung im Maschinen- und Anlagenbau. Ziel aller Anstrengungen muss es sein, den Maschinen- und Anlagenbau in Deutschland zu erhalten und zu stärken. Deutschland braucht eine starke industrielle Basis für künftige turbulente Zeiten.
Dr. Olaf Sauer
Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB)
Geschäftsfeld Automatisierung
Fraunhofer Straße 1
76131 Karlsruhe
Tel.: 07 21/60 91-477
E-Mail: [email]olaf.sauer@iosb.fraunhofer.de[/email]
[url]www.mes.fraunhofer.de[/url]
Autor(en):
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Bericht
Schädigungsparameter bei der Lebensdauerabschätzung von Schraubendruckfedern
Das Maschinenelement Schraubendruckfeder ist eines der wichtigsten Bauteile in technischen Produkten. Die Auslegung der Federn erfolgt häufig auf Basis von Schädigungsparametern. Diese werden meist für bestimmte Lastwechselzahlen aus bereits durchgeführten Dauerschwingversuchen abgeleitet. In der Praxis findet hauptsächlich der Schädigungsparameter nach Smith, Watson und Topper (PSWT-Wert) Verwendung. Der folgende Artikel soll die Grenzen dieses Schädigungsparameters anhand von Ergebnissen aus Dauerschwingversuchen an Federn bei unterschiedlichen Last- und Mittelspannungen darlegen. Weiterhin wird ein neu entwickelter Schädigungsparameter eingeführt, der eine deutlich bessere Vergleichbarkeit von Dauerschwingversuchen bei unterschiedlichen Mittelspannungen erlaubt.
Autor(en):
Kletzin, U.; Reich, R.
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Löst der Reluktanzmotor den Asynchronmotor ab?
Werden drehzahlvariable Antriebe in Zukunft nur noch mit Reluktanzmotoren realisiert? Einiges spricht dafür, unter anderem die Tatsache, dass der Reluktanzmotor keine teuren Magnete benötigt und doch hohe Wirkungsgrade mitbringt. Über diese vielversprechende Entwicklung wird im Folgenden berichtet.
Autor(en):
Brosch, P. F.
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Mit Hochgeschwindigkeit in die Serie gestartet
Der Materialmix eines Automobils hat sich in den letzten Jahren erheblich verändert. Stähle, Leichtmetalle und Kunststoffe sind nach wie vor die wichtigsten Werkstoffe, doch innerhalb dieser Gruppen gibt es eine Vielzahl neuer Zusammensetzungen - und gegenseitige Substituierungen. Entsprechend komplex und anspruchsvoll sind die Anforderungen an die Verbindungstechnik.
Autor(en):
Löwen, A.
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Distributoren: Zeit ist der zentrale Zusatznutzen
Auf den ersten Blick scheinen die Aufgaben eines Distributors wenig anspruchsvoll zu sein. Die bestellten Waren müssen lediglich aus einem Regal geholt, verpackt und möglichst schnell an den Kunden verschickt werden. Wer beim Bremer Elektronik-Distributor Distrelec Schuricht hinter die Kulissen schaut, erkennt jedoch bald, wie sehr der erste Eindruck täuschen kann. Und das liegt nicht nur an der Tatsache, dass im "Regal" rund 500000 unterschiedliche Artikel lagern und "möglichst schnell" in der Regel eine Reaktionszeit von wenigen Stunden bedeutet.
Autor(en):
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Einige Aspekte der Schraubensicherungen
Bekanntlich haben Schraubenverbindungen unter dynamischer Belastung und bei Vibrationen die Neigung sich selbst zu lösen. Diese Eigenschaft ist sehr gefährlich, weil es infolgedessen zu Beschädigungen der gesamten Konstruktion kommen kann. Bekannt sind die mehr oder weniger wirkungsvollen Gegenmaßnahmen. Der Markt bietet eine breite Palette von Sicherungselementen an, die auch genutzt werden. Sind aber alle diese Elemente und Maßnahmen tatsächlich effektiv?
Autor(en):
Dominik, J.
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Konstruktionsunterstützung für Direktverschraubungen
Prognoseprogramme für die Vor-Auslegung von Direktverschraubungen bietet die Firma Ejot an - eine wertvolle Unterstützung für Konstrukteure und Entwickler . Mit diesen Tools können Verschraubungsparameter in Abhängigkeit von Werkstoffen und Konstruktionsparametern berechnet werden. Zahlreiche Praxisbeispiele belegen, dass mit diesen Programmen bereits während der Entwicklungsphase Einspareffekte erzielt werden können. Speziell für die Prognose von Direktverschraubungen in Leichtmetalle wurde das neue Programm entwickelt.
Autor(en):
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Motion Control-Erweiterung für CNC- und Roboter-Funktionen
Die Vereinigung von Logik-, Motion-, Roboter- und CNC-Funktionen auf einer Steuerungsplattform lässt nicht nur die Zahl der Komponenten und damit die Materialkosten in Maschinen deutlich sinken, sondern auch den Engineering-Aufwand. Voraussetzung dafür ist eine darauf ausgelegte Architektur der Engineering-Umgebung.
Autor(en):
Stork, D.
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Adaptierbare, drahtlose Sensorik für die autarke Spannkraftüberwachung
Im Hinblick auf eine Steigerung der Ressourceneffizienz bei der spanenden Bearbeitung müssen die Werkstückspann- und Haltekräfte zum Zeitpunkt des Einrichtens oder permanent während der Bearbeitung überwacht und kontrolliert werden. Die Firma Ott-Jakob Spanntechnik hat dazu ein autarkes, drahtloses Sensorsystem entwickelt, welches kundenspezifisch an die Aufgabenstellung der Spannkraftüberwachung im Bearbeitungsprozess angepasst werden kann. Der Artikel soll technisches Hintergrundwissen vermitteln und so dem Anwender bei der Systemintegration als erste Orientierungshilfe dienen.
Autor(en):
Bonerz, S.; Bechteler, W.; Greif, J.; Merz, F.
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Anwendungsorientierte Forschung treibt die Antriebstechnik voran
Bei Inspektions- und Fertigungssystemen der Halbleiterindustrie sind heute meist Luftlagertechnik und magnetische Linearmotoren im Einsatz. Die Anforderungen an die Präzision werden zukünftig weiter steigen - bis in den Nanometerbereich. Zudem stoßen solche Systeme an ihre Grenzen, wenn Anwendungen das Arbeiten unter Vakuum oder Stickstoffatmosphäre erfordern. Antriebsspezialisten haben sich nun dieser Thematik angenommen und mit einem neuen elektromagnetischen Positioniersystem bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt.
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Prüfstände aus dem Baukasten: DC-DC-Steller, Frequenzumrichter und Wechselrichter frei kombinieren
Die Zuverlässigkeits- und Qualitätsansprüche an Geräte, Maschinen und Einrichtungen sind in den letzten Jahrzehnten stetig gewachsen. Vorgaben, Richtlinien und Gesetze hatten einen erheblichen Einfluss auf diese Entwicklung. Ansprüche aus einer Produkthaftung für den Hersteller einer Teilkomponente haben so beispielsweise wesentlich die Gestaltung der Qualitäts- und Funktionsprüfungen des Zulieferproduktes mitbestimmt. Zusätzlich stieg auch die Notwendigkeit an, über eine größere Anzahl von Prüfeinrichtungen zu verfügen.
Autor(en):
Daferner, C.; Tröster, S.
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Rührreibschweißen erfüllt Qualitätsstandards
Mit der DIN EN ISO 25239 veröffentlichte die International Standardisation Organisation (ISO) in 2012 erstmals eine Norm zum Rührreibschweißen. Damit ist das Verfahren "salonfähig" geworden und kann nun auch strengsten Qualitätsstandards genügen.
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Robustes Equipment zum Entgraten von Gussteilen
Beim automatisierten Präzisionsentgraten von Einspritzpumpen, Motorblöcken oder Getriebeteilen ist neben der Bahngenauigkeit des Roboters vor allem die Zuverlässigkeit der Greifer, Ausgleichseinheiten und Entgratwerkzeuge entscheidend. Sie müssen dauerhaft präzise arbeiten und zugleich Staub und kleinsten Spänen widerstehen. WMS-engineering in Klettgau-Grießen, ein Spezialist für Entgratzellen, nutzt für die Ausstattung seiner hocheffizienten Anlagen das umfassende Modulprogramm von Schunk. Es eröffnet ein hohes Maß an Planungsfreiheit, hat sich als sehr zuverlässig erwiesen und bietet auch für spezielle Anforderungen überzeugende Lösungen.
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Schnelle und exakte Laserkennzeichnung
Beschriftungslaser sind dafür bekannt, schnell und vor allem präzise Informationen auf Produkte aufzubringen. Doch das alleine reicht nicht immer - für eine punktgenaue Markierung der Produkte oder Bauteile ist sehr oft eine absolut genaue Produktführung die Voraussetzung. In solchen Fällen ist das Know-how mehrerer Spezialisten gefragt, deren Kompetenzen sich ergänzen und die zusammenarbeiten - so wie die Systec Elektronik und Software GmbH, Münster, und die Bluhm Systeme GmbH, Rheinbreitbach.
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Flexibel und prozesssicher einpressen
Zur rationell-qualitativen Produktion unterschiedlicher Bremskolben-Typen für Pkw-Scheibenbremssättel setzt Erdrich Umformtechnik auf eine flexible Montageanlage der ASA GmbH, Mainhausen. C-Gestell-Pressen mit elektromechanischen Servo-Antriebsmodulen und Presskraft-Sensorik sorgen dabei für das prozesssichere Verpressen von Druckstücken in Bremskolben.
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Messtechnik bewältigt globale Megatrends
Megatrends sind sich abzeichnende Veränderungen, deren Entwicklungen uns in Zukunft zunehmend beschäftigen werden. Sie beeinflussen nahezu jede Branche, von der Automobilindustrie bis zur Medizintechnik. Dazu gehören ganz unterschiedliche Themen wie beispielsweise Globalisierung, Vernetzung, Individualisierung, Mobilität, Ökologie, Gesundheit und demografischer Wandel. Daher ist auch eine Vielzahl an Branchen betroffen: die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrtindustrie, die Kommunikationstechnik, die Medizintechnik etc. Die Aufgabe dieser Branchen ist es, immer neue Lösungen für die globalen Herausforderungen anzubieten. Dabei spielt die Messtechnik eine entscheidende Rolle: Sie ermöglicht die Industrialisierung von Produktionsprozessen und trägt somit wesentlich zur wirtschaftlichen Verarbeitung faserverstärkter Kunststoffe in der Luftfahrt bei, sie ist die Grundlage für eine Null-Fehler-Produktion auch bei Kleinserien und sie ermöglicht abgesicherte minimalinvasive chirurgische Eingriffe zum Wohle des Patienten.
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Ingenieur-Werkstoffe
Verschleißschutzverfahren für Großformate
Alternative zum Hartverchromen
Umweltfreundlich, hoch effizient, ein Produktleben lang haltbar - mit solchen Eigenschaften hat sich die "Pulsed Plasma Diffusion" (PPD)- Technologie von Oerlikon Balzers zur leistungssteigernden Behandlung großer Formwerkzeuge in der Automobilindustrie etabliert (Bild 1). Nun erschließt der Beschichtungsspezialist neue Anwendungen für das Verschleißschutzverfahren als Alternative zum Hartverchromen. Im Visier: Zum Beispiel große Tragrollen für Stahlbleche oder Zahnräder für Schiffsgetriebe und Windturbinen.
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Read, P.
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Motorträger aus Kunststoff
Polyamidspezialität ersetzt Aluminium
Seinen weltweit ersten Motorträger aus Kunststoff (Bild) verbaut Daimler im Sechs-Zylinder-Dieselmotor der neuen Mercedes GL-Klasse. Gegenüber dem Vorgängerträger aus Aluminium bietet das genauso belastbare Kunststoffbauteil bessere akustische Eigenschaften, höhere Wärmeisolierung und einen deutlichen Gewichtsvorteil. Das Bauteil, das den Motor über das Motorlager abstützt, besteht aus Ultramid A3WG10 CR, einer besonders hochverstärkten und auf hohe mechanische Lasten optimierten Polyamidspezialität der BASF.
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Mikrospritzgießen mit Zusatzspritzaggregat
Kleines Aggregat für große Maschinen
Das Mehrkomponentenverfahren der Spritzgießtechnik verlangt oft eine vom Schussgewicht größere Hauptkomponente und eine wesentlich kleinere zweite oder dritte Komponente. Für diese Anwendungen bietet babyplast eine kostenvorteilige Lösung zur 2K-Nachrüstung an: Das Zusatz-Spritzaggregat I/10, ein kleines, 35 kg leichtes Aggregat für große Maschinen und komplexe Anwendungen (Bild 1). Foboha, aus dem badischen Haslach, unter anderem Spezialist für Mehrkomponenten-, Etagen-Wendewerkzeuge und Würfelwerkzeuge, setzt unter anderem auf diese autarke und hochflexible Lösung der Mehrkomponententechnik.
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Radig, G.
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Ressourceneffizientes Beschichtungsverfahren
Die ständig steigenden Anforderungen an die Oberflächen von Bauteilen oder Komponenten machen funktionale Beschichtungen zu einer Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Konventionelle Beschichtungsverfahren stoßen zunehmend an ihre technologischen Grenzen und sind häufig zu kostenintensiv. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat daher ein ressourceneffizientes Verfahren zur laserbasierten Funktionalisierung nano- und mikropartikulärer Werkstoffe entwickelt. Das Verfahren zeichnet sich neben seiner Inline-Fähigkeit durch große Flexibilität und hohe Energieeffizienz sowie durch die Möglichkeit zur schonenden Bearbeitung temperaturempfindlicher Substrate aus.
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Simulationssoftware für das Kernschießen
Die brasilianische Gießerei Usiminas arbeitet konsequent an der Entwicklung von robusten Werkzeugen und Prozessen in der Kernfertigung. Daher wurde zum frühestmöglichen Zeitpunkt die neue Kernschieß-Simulationssoftware Magma C+M eingeführt. Der erste Einsatz der Software erfolgte bei einem Projekt, das zu Beginn der Nutzung des Programms bereits angelaufen war.
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Anlagen zur Carbon-Fertigung für die Großserie
Hochdruck-RTM-Pressen für kurze Zykluszeiten
Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (Carbon oder kurz CFK) kommen im automobilen Leichtbau schon seit einigen Jahren zum Einsatz. Weil der ultraleichte und sehr feste Werkstoff im Vergleich zu Stahl und Aluminium um ein Vielfaches teurer ist, hat er bisher jedoch kaum in die Großserie Einzug gehalten. Schuler bietet Anlagen, mit denen sich Bauteile aus CFK auch für die Großserie wirtschaftlich fertigen lassen (Bild 1). Auf der Fachmesse JECeurope präsentierte der Pressenhersteller seine Lösungen.
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Maximale Performance
Leichtbau zählt zu den Schlüsseltechnologien, um den Energieverbrauch von Fahrzeugen zu senken. Allerdings können Automobilhersteller und -zulieferer dabei nicht auf eine übergeordnete Patentlösung zurückgreifen. Vielmehr sind es einzelne Gewichtseinsparungen an zahlreichen Pkw-Komponenten, die in Summe den Erfolg bringen. ZF Friedrichshafen AG entwickelte daher ein neuartiges Gummi-Kunststoff-Motorlager (Bild), das Renault-Nissan auf Anhieb überzeugte: Es dämpft Schwingungen genauso effektiv wie bisherige Konstruktionen aus Gummi-Metall, wiegt dabei aber rund 25 % weniger.
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Aufsatz
Steigerung des Ausnutzungsgrades von Kohlenstofffasern bei faserparallelem Druck - Teil 1: Potenziale pultrudierter CFK-Stäbe
Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunde (CFK) verfügen hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit über eine ausgezeichnete Leichtbaugüte. Für viele Anwendungen sind jedoch die Werkstoffkosten zu hoch. Verbessern lässt sich dies u.a. durch eine höhere Ausnutzung des Festigkeitspotenzials der Fasern: Insbesondere die im Laminat erreichbaren faserparallelen Druckfestigkeiten von CFK liegen derzeit noch deutlich unterhalb der eigentlichen Werkstofffestigkeit. Zudem ist die faserparallele Druckfestigkeit der Zugfestigkeit unterlegen, so dass bei auf Biegung beanspruchten Bauteilen auf die geringere Druckfestigkeit dimensioniert werden muss. Eine Steigerung der faserparallelen Druckfestigkeit ist somit für optimierten Leichtbau und eine spürbare Kostenersparnis von zentraler Bedeutung. Aus diesem Grund wurde am Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen der TU Darmstadt die sogenannte "Stäbchen-Technologie" vertieft untersucht.
Autor(en):
Möller, C.; Schürmann, H.
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Faltungen für innovative Verstärkungsstrukturen
Der Einsatz von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) in der Großserie ist trotz der vielen positiven Eigenschaften von FVK nur möglich, wenn der Herstellungsprozess automatisiert wird und damit die Produktionskosten erheblich gesenkt werden können. Ein Ansatz besteht darin, Faltungen gezielt für die Herstellung von FVK-Strukturbauteilen zu nutzen, da eine derart schnelle und einfache Umformung der textilen Halbzeuge erreicht werden kann. Weiterhin kann der Verschnitt minimiert werden, was zu Einsparungen bei den nicht unerheblichen Materialkosten führt. In diesem Artikel wird anhand einer Beispielgeometrie die Realisierbarkeit solcher FVK-Strukturbauteile gezeigt. Es wird der Fertigungsprozess beschrieben und es erfolgt eine optische Bewertung.
Autor(en):
Sköck-Hartmann, B.; Eckers, V.; Gries, Th.; Stüve, J.
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