Weg mit Stahl und Co.?

Sollten bei so vielen Vorteilen dann nicht alle Hydraulikzylinder aus Leichtbaumaterialen bestehen? „Ökonomisch ist man meist mit höheren Kosten von Hochleistungs-Leichtbauwerkstoffen konfrontiert“, erklärt Florian Lenz. Daher sei der Anteil von Hydraulikzylindern in Leichtbauweise noch sehr gering und auf Spezialanwendungen beschränkt.

Diese Erfahrung hat auch Jochen Beetz, Geschäftsführer des Ingenieurbüros Beetz Engineering, in den letzten Jahren gemacht. Seit 2004 befassen sich seine Ingenieure mit dem Thema Leichtbau. Trotzdem seien nur in vereinzelten Bereichen Leichtbaukomponenten verbaut. „Noch heute ist der komplette Leichtbau für die meisten Anwendungen wirtschaftlich nicht interessant, hier muss zum Beispiel im Fahrzeugbau ein generelles Umdenken stattfinden“, sagt Beetz.

Bei bisherigen Hydraulikzylindern in Leichtbauweise bestehen zum Beispiel nur einige Teile aus CFK oder anderen Leichtbaumaterialien. Beim Hydraulizylinderhersteller Hänchen besteht die Kolbenstange aus Carbon. Der Grund: Die bewegliche Kolbenstange hat eine 80 Prozent geringere Masse und spart somit nicht nur Gewicht ein, sondern auch Energie bei der Antriebsleistung. „In Prüfanwendungen kann die Dynamik zudem erhöht werden. Auch das Zylinderrohr fertigen wird aus CFK, wenn die Eigenschaften leicht, nicht-rostend oder amagnetisch gefragt sind“, sagt die Geschäftsführerin Tanja Hänchen. Andere Teile sollten nicht aus Carbon bestehen: „Bei Zylinder-Bauteilen, in denen Bohrungen, zum Beispiel für hydraulische Anschlüsse eingebracht werden, macht die Verwendung von CFK keinen Sinn. Hier kann dann der Einsatz von Aluminium geprüft werden.“

Parker fertigt das Zylinderrohr aus CFK, allerdings bestehen Führung, Boden als auch der Kolben aus Aluminium-Legierungen. Damit der Verbundwerkstoff und die metallischen Ver­bindungselemente sicher miteinander verbunden sind, wird geschraubt. Petker: „Die Führung wird in den Zylinderkopf geschraubt, was eine schnelle, problemlose Wartung der Dichtungen und Führungselemente ermöglicht.“

Doch allein hier und da etwas CFK in die Hydraulikzylinder zu verbauen, ist nicht so einfach. Ingenieure und Konstrukteure brauchen viel Erfahrung mit den Materialien und müssen vor allem wissen, mit welchen Mitteln sie die Vorteile der Werkstoffe heraus kitzeln können. Besonders die Verbindung zwischen artfremden Werkstoffen im Material-Mix ist eine Herausfoderung. Lenz, Leichtbau-Zentrum Sachsen: „Technisch ist bei Multi-Material-Bauweisen meist die Verbindungsstelle zwischen den artfremden Werkstoffen die größte Herausforderung. Von zentraler Bedeutung ist dabei auch die Beherrschung der Interaktionseffekte wie etwa Wärmedehnung oder tribologische Phänomene.“

Tanja Hänchen sieht die Herausforderungen auch in der Verbindung von CFK und Metall. Daher seien für Carbon-Bauteile oft metallische Enden notwendig, da in Carbon-Bauteilen keine kraftübertragenden Gewinde oder Bohrungen eingebracht werden könnten. Bei Hänchen wird das Metallstück in einem eigens entwickeltem Verfahren bei der Produktion der Stange mit eingebunden, da konventionell geklebte Verbindungen den sehr hohen Belastungen in der Hydraulik nicht standhalten. Eine weitere Herausforderung steckt im Werkstoff CFK selbst. „Da Carbon ein anisotroper Werkstoff ist, muss CFK für die jeweilige Anforderung designt werden“, sagt Hänchen. Daher müsse je nach gewünschter Bauteilfestigkeit und Biegesteifigkeit die Lage, Anzahl und Art der Carbonfasern definiert werden. Außerdem kann CFK nur bedingt mechanisch feinbearbeitet werden. „Daher wird bei der Produktion von H-CFK eine harte, dichte und verschleißfeste Oberfläche eingebracht, die den Carbon-Grundkörper versiegelt.“

H-CFK ist ein von Hänchen entwickelter Verbund von Carbon und anderen Komponenten, der bei ihren Hydraulikzylindern verarbeitet wird. Für Jacqueline Petker von Parker Hannifin ist die Produktion der Mulit-Materialien mit Herausforderungen verbunden. Die Verstärkungsfasern werden durch Hinzugabe von Harzsystemen verarbeitet und zu einem Verbundwerkstoff kombiniert. „Nicht nur die Wahl der Fasern und Matrixwerkstoffe sowie die Ausrichtung der Fasern im Werkstoff, sondern auch der Aushärteprozess haben Einfluss auf die späteren Materialeigenschaften“, sagt Petker.

Obwohl der heutige Einsatz von Hydraulikzylindern und anderer Komponenten in Leichtbauweise noch sehr gering ist, sind sich die Experten einig, dass künftig die Nachfrage steigt – weil sich auch die Rahmenbedingungen verändern werden. Jochen Beetz von Beetz Engineering: „Im Zuge der gesteigerten Forderung nach alternativen Antrieben und Reduktion des Energieverbrauchs wird das Thema Leichtbau zwangsläufig in den Vordergrund rutschen.“ Und je mehr Kunden auf diesen Zug aufspringen werden, desto günstiger werde die Produktion, und damit steige auch das Interesse an den leichten Produkten.

Daniel Barfuß von der TU Dresden erklärt, dass viele die klaren Vorteile des Leichtbaus erkannt hätten und dieser nun in neuen Bereichen Fuß fasst: „Für Leichtbau-Hydraulikkomponenten erschließen sich zunehmend neue Ein­satzfelder in allgemeinen Industrieanwendungen. Neben den Aktuatoren selbst geraten zunehmend auch die hydraulischen Gesamtsysteme mit Komponenten wie zum Beispiel Ventilblöcke, Druckspeicher und -leitungen in den Fokus der Entwicklung.“ Besonders spannend seien hier laut Leichtbau-Experte Florian Lenz die neuen Möglichkeiten, die Leichtbauwerkstoffe bieten: „Besonders spannend für den Anwender, aber auch für den Entwickler, sind dabei neue Bauweisen und Prinzipien, die neben der reinen Gewichtsreduktion Zusatzfunktionalitäten bringen. Hier sehen wir etwa Ventilblöcke, die nur mit neuen, additiven Fertigungsverfahren realisierbar werden; Leitungen, die eine integrierte Heizung aufweisen oder Komponenten, die ihren Betriebszustand, ihre Beanspruchung oder ihr nächstes Wartungsintervall erkennen und aktiv rückmelden. So entsteht ein echter Mehrwert beim Anwender.“

Schon in den vergangenen Jahren sei der Markt für Produkte aus Faserverbundwerkstoffen gewachsen, erklärt Petker von Parker Hannifin. Im Hinblick auf die Anforderung, den Energieverbrauch zu reduzieren, würden viele Unternehmen zuerst an der Gewichtsoptimierung der einzelnen Komponenten schrauben. Petker: „Daher erwarten wir auch weiterhin eine steigende Nachfrage nach unseren Composite-Hydraulikprodukten.“

Auch bei Hänchen steigen die Anfragen: „Die Rückmeldungen vom Markt zeigen uns, dass es Anforderungen gibt, die bislang mit konventionellem Material nicht umsetzbar sind“, sagt die Geschäftsführerin. Allerdings müsse in jedem Einzelfall geprüft werden, ob Carbon eine Alternative darstelle und dem Anwender eine völlig neue konstruktive Lösung biete. Denn Carbon hat wie viele andere Kunststoffe völlig andere Eigenschaften als Metalle und muss für den Einsatz genau definiert werden. Da reicht es also nicht aus, bisherige Komponenten oder Bauteile aus Stahl durch Faserverbundwerkstoffe zu ersetzen.

Tanja Hänchen: „Carbon bietet viele Vorteile gegenüber konventionellen Materialien wie zum Beispiel Stahl, ist aber konstruktiv anders zu designen. Ein 1:1-Austausch ist oft nicht möglich, da die Werkstoffeigenschaften zu verschieden sind. Daher ist im Einzelfall zu prüfen, welcher Werkstoff die beste Alternative ist.“

Mehr zum Thema Leichtbau und Werkstoffe erfahren Besucher der Hannover Messe, vom 24. bis 28. März 2017, in den Hallen 4 bis 6 sowie in Halle 2 auf der Leitmesse Research & Technology.