Maschinenbau: Verbesserte Schwingungsdämpfung von Carbon

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Karl Mayer Composite Parts verbessert erfolgreich Schwingungsdämpfung von Carbon im Maschinenbau: Schwingungen sind eine der Hauptstörgrößen im Maschinenbau, können aber durch eine gezielte Werkstoffauswahl beeinflusst werden. Insbesondere der Einsatz von CFK (Carbonfaserverstärkter Kunststoff) macht die Verschiebung des kritischen Eigenfrequenzbereichs und die Verbesserung der Dämpfung im Vergleich zu Aluminium und Stahl möglich. Karl Mayer Composite Parts nutzt zur Herstellung von CFK-Bauteilen ein Verfahren, mit dem das Dämpfungsverhalten von Maschinenkomponenten nochmals deutlich optimiert werden kann – durch die Möglichkeit, Funktionsschichten in das CFK-Laminat einzubringen.,

Maschinenschwingungen haben einen erheblichen Einfluss auf die Produktivität und die Präzision einer Maschine.

Bei Werkzeugmaschinen beispielsweise wirken sich Resonanzerscheinungen, bei denen die Maschinenstruktur mit einer Schwingung in Höhe der Eigenfrequenzen angeregt wird, negativ auf die Bauteilqualität aus. In der Automatisierungstechnik müssen häufig Abklingzeiten eingehalten werden, um präzise Positionier- und Greifprozesse durchzuführen. Und im Textilmaschinenbau sind mitunter Drehzahlen zu reduzieren, um Arbeitsschutzrichtlinien für Lärmbelastung einzuhalten.

In allen Fällen führen die speziellen Schwingungseigenschaften von CFK zu einer Verschiebung der kritischen Drehzahlbereiche. Konkrete Ursache für den positiven Effekt ist der hohe spezifische E-Modul von CFK (siehe Bild). Der E-Modul fließt neben der Dichte in die Bestimmung der Eigenfrequenzen von Maschinenkomponenten ein. Zudem besitzt Carbon im Vergleich zu Aluminium und Stahl eine höhere Abklingkonstante und ermöglicht damit verkürzte Abklingzeiten. Und die akustische Dämpfung von Carbon reduziert mitunter die Körperschallemission von Maschinen. Ein weiterer positiver Nebeneffekt von reduzierten Maschinenschwingungen ist ein geringerer Verschleiß an Lagern und sonstigen beweglichen Maschinenkomponenten.

Um die positiven Schwingungseigenschaften von CFK zu visualisieren, hat Karl Mayer Composites Parts einen vergleichenden Versuch mit typischen Konstruktionswerkstoffen aus dem Maschinenbau durchgeführt. Die Gegenüberstellung umfasste vier Vierkantprofile mit gleicher Steifigkeit – eine typische Anforderung bei der Bauteilsubstitution mit Carbon –, jeweils ein Profil aus Stahl, aus Aluminium und eines aus CFK. In ein viertes CFK-Profil wurde eine Funktionsschicht aus einem Elastomeren eingebracht.

Die Messungen zeigen das Abklingverhalten der Profile in freier Schwingung bei einer Anregung von ca. 550 Hz. Das logarithmische Dekrement aus dem sich die Abklingkonstante einfach herleiten lässt, ist bei Stahl um den Faktor 2 geringer als bei CFK und bei Aluminium sogar um den Faktor vier geringer als bei CFK. Durch den Einsatz der elastomeren Funktionsschicht lässt sich die Dämpfung des CFK um weitere 50 Prozent steigern.

Übersetzt in eine maschinenbautypische Anwendung bedeutet dies, dass ein Aluminiumträger etwa die sechsfache Zeit wie ein gleichsteifes Carbonprofil mit elastomerer Funktionsschicht benötig, um bei der gezeigten Anregung wieder den Ruhezustand  zu erlangen. Die beschriebenen Ergebnisse lassen sich auf der Motek 2014 an einem Messedemonstrator der Karl Mayer Composite Parts sowohl optisch, akustisch als auch haptisch nachvollziehen (Halle 9, Stand 9405).

Bild: Vergleich spezifischer Eigenschaften Metalle und Faserverbundwerkstoffe.

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