H-CFK-Hydraulikzylinder von Hänchen, Bild: Hänchen

Nur wenige Fluidtechniker setzen auf Leichtbau. Anders bei Hydraulikzylinder-Hersteller wie Hänchen. Spezielle Materialien machen die Komponenten leichter. Bild: Hänchen

Luftfahrtindustrie und Automobilbranche – denkt man an das Thema Leichtbau, denkt man auch oft an diese beiden Branchen. Dabei sind heute auch schon in anderen Bereichen leichte Materialien im Einsatz: zum Beispiel im Seewasserbereich, wenn Korrosion ein Thema ist; in Werkzeugmaschinen, wenn keine Temperaturdehnungen auftreten dürfen, bei Windkraftanlagen On- und Offshore oder bei Sonderanwendungen im Nutzfahrzeugbau, etwa bei Betonpumpen oder Kranen mit besonders großen Reichweiten.

Tanja Hänchen, Bild: Hänchen
Tanja Hänchen, Geschäftsführerin beim Unternehmen Hänchen. Bild: Hänchen

Vor allem Leichtbau-Hydraulikzylinder bieten in diesen Bereichen große Vorteile, weiß Tanja Hänchen, Geschäftsführerin beim Unternehmen Hänchen. Der Spezialist für Hydraulikzylinder bietet diese seit Jahren in Leichtbauweise an. „Bei bewegten oder beschleunigten Bauteilen ist eine erhöhte Energieeffizienz durch die Gewichtseinsparung zu erreichen. Insbesondere ist es mit Kolbenstangen aus Aluminium oder Carbonfasern möglich, je nach Einsatzfall, die Antriebsleistung zu verringern, die Hydraulik-Komponenten bei gleicher Leistungsfähigkeit zu verkleinern oder hohe dynamische Bewegungen zu realisieren“, erklärt Tanja Hänchen.

Darüber hinaus bieten die im Leichtbau eingesetzten Werkstoffe wie kohlenstoffverstärkter Kunststoff (CFK) oder Aluminium die Möglichkeit, intelligente Komponenten, beispielsweise Sensoren, zu integrieren. Daniel Barfuß, stellvertretender Leiter Thermoplastverfahren am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik TU Dresden: „Uns steht im Leichtbau auch ein Werkzeugkasten mit smarten Werkstoffen zur Verfügung, in die etwa Sensoren, Transponder und dergleichen integriert sind. So können die Prinzipien von Industrie 4.0 auf bewegte, hoch belastete Maschinenkomponenten übertragen werden.“ Was wohl in der künftigen vernetzten Produktion noch bedeutender werden wird.

Das A und O beim Leichtbau sind die Materialien

Das A und O bei Leichtbau-Hydraulikzylindern sind die eingesetzten Materialien. Sie müssen nicht nur leicht wie die gängigen Leichtmetalle Titan, Aluminium oder Magnesium sein, sondern auch den extremen Spannungszuständen in Hydraulikzylindern trotzen. Hier trumpfen vor allem Carbonfasern auf. Tanja Hänchen: „Wir verwenden Aluminium und Carbonfasern, die, kombiniert mit anforderungsgerechten Metallen, leichte Bauteile erzeugen. Speziell CFK ermöglicht uns, den Eigenschaften von Stahl im Bereich der in Hydraulikzylinder-Bauteilen auftretenden dreidimensionalen Spannungszuständen nahe zu kommen.“

Jacqueline Petker, Bild: Parker Hannifin
Jacqueline Petker von Parker Hannifin. Bild: Parker Hannifin

Auch beim Unternehmen Parker Hannifin setzt man bei Leichtbau-Hydraulikzylindern auf CFK. Für Jacqueline Petker liegen die Vorteile des Verbundwerkstoffs klar auf der Hand: „Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff hat eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringer Dichte. Zudem besitzt dieses Material bessere Ermüdungseigenschaften im Vergleich zu gängigen Leichtmetallen wie Titan, Aluminium oder Magnesium.“ Daher hielten Verbundwerkstoffe auch einer höheren Zyklenanzahl im Hochdruckbereich stand. Außerdem kommen bei Parker Hannifin oberflächenbehandelte Aluminiumlegierungen zum Einsatz, da sie korrosionsbeständig sind und auch bei widrigen Bedingungen, wie permanentem Salzwasser in der Schifffahrt, ihre Leistung bringen.

Die Mischung macht's

Florian Lenz, Bild: LZS
Florian Lenz, Stellvertretender Bereichsleiter Engineering im Leichtbau-Zentrum Sachsen. Bild: LZS

Bei den Werkstoffen für leichte Hydraulikzylinder kommt es im Endeffekt auf die Mischung an. Hier können Unternehmen spielen und sich spezielle Eigenschaften, auch je nach Einsatzgebiet der Komponente, zusammen mischen. Tanja Hänchen: „Außerdem erweitern wir den Vorteil der Gewichtseinsparung um weitere Eigenschaften, indem wir die Zylinder so auslegen, dass diese nicht rosten, amagnetisch sind und sich unter Wärme nicht ausdehnen. Zudem kann die Biegesteifigkeit und damit die Querkrafteigenschaft designt werden.“

Florian Lenz, Stellvertretender Bereichsleiter Engineering im Leichtbau-Zentrum Sachsen, sieht den Material-Mix als Basis des Leichtbaus an: „Leichtbau beinhaltet für uns letztlich immer ein Multi-Material-Design. Da haben metallische Werkstoffe einen genauso festen Platz wie Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV).“ Dazu gehören hochfeste und hochsteife CFK, glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) oder eine Kombination, also eine hybride Bauweise. Daniel Barfuß ergänzt: „Größte Potenziale weisen aber schon die FKV auf, da hier mit Stahl vergleichbare mechanische Eigenschaften bei einem Drittel bei fast einem Fünftel der Dichte vorliegen – und das bei einer sehr geringen Korrosionsneigung und meist sehr hohen werkstoffinhärenten Dämpfungswerten.“