In kaum einem anderen Maschinenkomponenten-Bereich gibt es ein derart breites Spektrum an verschiedenen Konzepten und Werkstoffen wie bei Gestellbaugruppen. Entwickler und Konstrukteure haben die Qual der Wahl zwischen Metallen wie Grauguss, Stahl und Aluminium, natürlichem Hartgestein, unterschiedlichen Faserverbund- und Betonwerkstoffen sowie Mineralguss.
Vorab mal eines: Es gibt ihn nicht, den universellen Werkstoff und das universelle Konzept. Jede am Markt für Gestellbaugruppen verfügbare Technologie hat mit ihren Möglichkeiten und Grenzen ihre Berechtigung und kann spezifische Anforderungen der konkreten Maschine auf unterschiedliche Art und Weise erfüllen.
Zu den Zukunftstrends von Maschinenkonzepten in allen Bereichen moderner Produktionstechnik gehören unter anderem:
ausgewogene Dynamik und robuste Dämpfung
Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen
Ausstattung mit sensorischen und aktuatorischen Funktionen
energieeffiziente Fertigung
Alle diese Punkte stehen in unmittelbarem Zusammenhang mit der Wahl der Werkstoffe für die Gestellbaugruppen.
In nahezu jeder Maschinenanwendung, also in jedem Bereich, ob Maschinenbau, Halbleiterfertigung, Messmaschinen usw., können alternative Werkstoffe zur Erfüllung dieser o.g. Anforderungen beitragen. Der Erfolg wird im Wesentlichen davon abhängen, wie es gelingt, die Eigenschaften vorhandener und neuer Werkstoffe und Werkstoffkombinationen noch besser zu nutzen, vor allem hinsichtlich Dämpfung, Thermostabilität, Gewichtsreduzierung, Steifigkeit und Langzeitstabilität.
Es geht zukünftig auch vermehrt darum, intelligente Gestellbaugruppen in Maschinen zu schaffen, die selbstständig auf wechselnde statische, dynamische und thermische Lasten reagieren.
Gestellbaugruppen lassen sich, etwas vereinfacht, in zwei Bereiche unterteilen. Zum einen sind es tragende, statisch feststehende, also nicht bewegte Maschinengestelle, Ständer oder auch Maschinenbetten. Zum anderen die bewegten und höheren dynamischen Einflüssen ausgesetzten Schlitten, Tische, Pinolen oder bewegte Portale.
Systematik der Gestellwerkstoffe
In allen Maschinenanwendungen steigen heutzutage die Anforderungen an Prozessgenauigkeiten unter statischen, dynamischen und thermischen Belastungen an. Um diese hohen Erwartungen zu erfüllen, hat das Maschinengestell und seine Baugruppen durch minimale Verformung bei maximaler Lasteinwirkung einen entscheidenden Beitrag zu leisten. Aber auch wirtschaftlichen, ökologischen, sicherheitstechnischen und immer mehr ästhetischen Ansprüchen hat ein Maschinengestell zu entsprechen. Um Ingenieuren und Konstrukteuren einen besseren Überblick zu ermöglichen, wurden in der Literatur verschiedene Systematisierungsansätze entwickelt:
monolithische oder hybride Lösungen
Werkstoff an (Guss-)Werkzeug gebunden oder kein (Guss-)Werkzeug notwendig
metallische oder nichtmetallische Werkstoffe
Werkstoffe für feststehende oder bewegliche Gestellbauteile.
Monolithische Werkstofflösungen für Gestellbauteile
Epoxidharzgebundener Mineralguss: Die hohen Anforderungen des Maschinenbaus an alternative Gestellwerkstoffe wie hoher Elastizitätsmodul, gute Werkstoffdämpfung, minimale Schwindung und ein an Stahl orientierter thermischer Längenausdehnungskoeffizient werden im Wesentlichen durch die aufeinander abgestimmte Auswahl der Bestandteile Epoxidharzbindemittel, mineralische Füllstoffe und Additive bestimmt.
Ultrahochleistungsbeton: Speziell gemahlene Premium-Feinstzemente und nanostrukturierte synthetische Kieselsäuren verdichten den Bindemittelleim im Mikrogefüge extrem.
Faserkunststoffverbunde: Für bewegte Gestellbauteile bietet CFK mit seiner extrem hohen Steifigkeit, Festigkeit und Dämpfung bei geringer Dichte das höchste Leichtbaupotenzial.
Hybride Werkstofflösungen für Gestellbauteile
Stahl im Verbund mit Mineralguss: Durch sehr gute Dämpfungseigenschaften und hohe Wärmekapazität des mit Mineralguss gefüllten Maschinenbettes konnten einige Verbesserungen nachgewiesen werden:
deutliche Schwingungsreduzierung
signifikante Lärmreduktion
Optimierung des Wirkprozesses
Erhöhung der Unempfindlichkeit gegenüber kurzfristigen Schwankungen der Umgebungstemperatur.
Stahl im Verbund mit Aluminiumschaum: Eine große Herausforderung bei der Entwicklung hochdynamischer Maschinen besteht darin, schnell bewegte Baugruppen leicht und zugleich unempfindlich gegenüber Schwingungen zu konstruieren. Nur so können im Prozess höchste Beschleunigungen und Verfahrgeschwindigkeiten erreicht werden. Aufgrund ihrer zellularen Struktur absorbieren Metallschäume sowohl Schwingungen als auch ruckartige Belastungen hervorragend. Mit ihrem geringen Gewicht sind sie daher die ideale Basis für den Leichtbau von Gestellbauteilen mit optimaler Biegesteifigkeit und Schwingungsdämpfung. Für Verbundkonstruktionen mit Aluminumschaumfüllung haben sich Blechhüllen und Deckbleche aus Stahl oder Aluminium bewährt.
Epucret Mineralgusstechnik GmbH www. epucret.de
Der Autor
Martin Neumann, Geschäftsführer, Epucret Mineralgusstechnik GmbH & Co. KG
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