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15-04-2020 | Leichtbau | Im Fokus | Article

CFK bringt Dynamik in die Baumaschine

Author: Thomas Siebel

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Baumaschinen müssen leistungsfähig und robust sein. Von den stahlintensiven Maschinen wird jedoch zunehmend auch Dynamik und Effizienz gefordert. Das macht den Einsatz von CFK interessant.

Die Anforderungen an Baumaschinen lassen sich in zwei Kriterien zusammenfassen: Sie müssen gewaltige Kräfte aufnehmen können und höchsten Belastungen über einen langen Zeitraum standhalten. Zu den anspruchsvollsten Baumaschinen gehören Fahrzeugkräne, wie sie etwa für den Bau von Windenergieanlagen oder Brücken eingesetzt werden. Bis zu 1.200 Tonnen kann ein moderner Mobilkran mit Radfahrwerk aufnehmen, mit Raupenfahrwerk sind sogar bis zu 3.000 Tonnen möglich, wie Jan Scholten und Gerhard Wagner im Dubbel-Kapitel Hebezeuge und Krane (S. U 48) schreiben. Teleskopausleger mit aufgesetzten Gittermasten können Lasten dabei auf Höhen von bis zu 188 Metern hieven.

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Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Baumaschinen nehmen stetig zu. Mobilkrane heben Lasten bis zu 1200 t und erreichen Hubhöhen von 188 m, um beispielsweise moderne Windparks aufzurichten. 

Um die extremen Anforderungen an Baumaschinen wirtschaftlich umzusetzen, kommt bislang praktisch nur eine Werkstoffklasse in Betracht: Stahl. Dennoch gilt es, hochlastfähige Fahrzeugkräne mobil zu halten, und dabei zählt unter anderem das Gewicht. Bereits vor über 20 Jahren begann die Stahlindustrie mit der Entwicklung höherfester Feinkornbaustähle. Durch metallurgische Maßnahmen haben die Stahlunternehmen dafür etwa die Festigkeit kohlenstoffarmer Stähle gesteigert, ohne zugleich Schweißeignung, Kaltverformbarkeit oder Kaltzähigkeit zu senken. Durch sehr geringe Legierungsgehalte in Verbindung mit einer thermomechanischen Behandlung erzeugen die Stahlproduzenten das erforderliche feinkörnige Gefüge, wie Wolfgang Weißbach, Michael Dahms und Christoph Jaroschek im Kapitel Stähle (S. 154) im Buch Werkstoffe und ihre Anwendungen schreiben. Heute gehört der Einsatz von hochfesten Stählen insbesondere bei Schwerlast- und Kranfahrzeugen zum Stand der Technik. Diese führen nicht nur zu leichteren Fahrzeuggewichten, sondern können auch Material- und Herstellkosten senken:

  • Geringere Blechdicken sparen Gewicht ein; die Werkstoffkosten je Tonne liegen jedoch etwas über denen konventioneller Stahlsorten.
  • Die Stähle müssen vor dem Schweißen nicht vorgewärmt werden.
  • Es genügen kleinere Nahtvolumen, was zu kürzeren Schweißzeiten führt.

Doch obwohl Stahl im Bereich der Baumaschinen unverzichtbar scheint, kommt der Werkstoff auch in dieser Domäne an Grenzen.

Energieverbrauch und Emissionen begünstigen neue Werkstoffe

Neben immer größeren Traglasten und Einsatzhöhen müssen moderne Baumaschinen nämlich zunehmend noch weiteren Anforderungen gerecht werden: Sie sollen dynamischer werden, und sie sollen energieeffizient und emissionsarm arbeiten. Liebherr, einer der großen Hersteller von Baumaschinen, Umschlagtechnik und Kränen, hat deswegen auch carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) in sein Werkstoffportfolio aufgenommen. Mit einer Roboterwickelzelle und einem Konvektionsofen fertigt das Unternehmen rotationssymmetrische Bauteile von bis zu 5,5 Metern Länge und 800 Millimeter Außendurchmesser, wie Dominic Gottwald und Florian Hörburger im Beitrag Leichtbau mit carbonfaserverstärktem Kunststoff für die ATZproduktion 1/2020 schreiben. In welcher Anwendung genau die Voll-CFK- oder die Metall-CFK-Hybridbauteile zum Einsatz kommen sollen, verraten die Autoren nicht; nur so viel geben sie preis:

„Die gewonnene Gewichtseinsparung [soll] einen qualitativen oder quantitativen Mehrwert bringen, welcher die gegenüberstehenden Mehraufwände übersteigt.“

Das volle Potenzial von CFK solle bei größtmöglicher Wirtschaftlichkeit ausgenutzt werden. Dafür müssen die Komponenten fasergerecht entwickelt und konstruiert werden; das bloße Substituieren metallischer Bauteile sei in dieser Hinsicht nicht zielführend. Mit der Einführung von CFK in Baumaschinen stellt sich das Unternehmen jedoch keine leichte Aufgabe, wie die Autoren ebenfalls feststellen. Insbesondere heben sie die Problematik der Anbindung zwischen metallischen und Faserverbundwerkstoffen hervor. Neben den konventionellen Verbindungstechniken wie Kleben, Formschluss und Bolzen entwickelt Liebherr deswegen bisweilen auch spezielle eigene Metall-Verbundwerkstoff-Verbindungen.

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