Lohnt sich nicht immer, aber öfter als man denkt

Wo CFK-Hydraulikzylinder nützlich sind

Kohlefaser als moderner Werkstoff wird oft als Synonym für teuren Leichtbau bei enormer Festigkeit angesehen. Tatsächlich sind Bauteile aus CFK deutlich leichter als solche aus herkömmlichen Materialien und zudem auch korrosionsfest. Doch das ist nur eine Seite der Medaille, die wahren Vorteile liegen in Synergieeffekten, die einen deutlich größeren Mehrwert mit sich bringen als die reine Gewichtseinsparung. Ein Beispiel dafür sind leichte Hydraulikzylinder aus Kohlefasern, die im passenden Einsatzfeld wirtschaftlicher sind als ihre herkömmlichen Pendants aus Stahl. Einige Anwendungsszenarien zeigen das oft unterschätzte Potential.

Bei voluminösen Bauteilen wie Hydraulikzylindern ist die Gewichtseinsparung durch moderne Aluminiumlegierungen und Kohlefaserverbundwerkstoffe groß. Mark Hydraulik GmbH aus Spital am Phyrn setzt auf kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) für die Zylinderrohre ihrer Hydraulikzylinder. Gegenüber herkömmlichen Stahlausführungen können so zwischen 30 und 70 % Gewicht eingespart werden. Ein neues Fertigungsverfahren erlaubt dabei eine kostenoptimierte Massenfertigung. Dazu wird ein dünnes Stahlzylinderrohr mit Endstücken aus Aluminium versehen und eine herkömmliche Kolbenstange eingebaut. Hochwertige, hitzebeständige Dichtringe vervollständigen das Grundelement. Nun wird der dünne Stahlmantel mit Kohlefaser-Rovings umwickelt und anschließend im Autoklaven ausgehärtet. Danach ist der Zylinder einsatzbereit. Standard-Modelle sind mit Kolbendurchmessern von 32 bis 125 mm bei 300 bzw. 450 bar Arbeitsdruck und Arbeitsöltemperaturen zwischen -20 und +80 °C verfügbar. Sonderlösungen sind bei geeigneter Losgröße ebenfalls machbar. Der Vorteil der CFK-Zylinder liegt auf der Hand: ein leichter, weitgehend korrosionsfester Aktuator, der hohe Kräfte erzeugen kann. Je nach Anwendungsanforderung erschließen sich jedoch viel größere Sekundär-Nutzen, die auf den ersten Blick oft nicht ersichtlich sind.

Einsparung im Kontext verstehen

Nicht alles, was ökologisch sinnvoll ist, kann auch wirtschaftlich umgesetzt werden. Zwar senkt Leichtbau den Energieverbrauch von mobilen Maschinen und verbessert den CO2-Fußabdruck, aber lohnt sich der höhere Anschaffungspreis für CFK-Zylinder wirklich? Betrachtet man den Ersatz von Stahlzylinder beispielsweise in Müllfahrzeugen mit 18 bis 27 t Gesamtgewicht, wird auf das gesamte Fahrzeug gesehen zwar nur ein relativ geringer Gewichtsvorteil erreicht. Jedoch ergibt das geringere Eigengewicht einen guten Kapazitätspuffer, um das oft schwankende Müllaufkommen, z.B. nach Feiertagen, ohne Überladung zu entsorgen. Zusätzlich treibt die „Dieselgate-Affäre als Katalysator die Nutzfahrzeughersteller zum Nachdenken an. In Zeiten der Klimakrise erreicht man mit weniger Gewicht auch eine Einsparung beim Kraftstoffverbrauch und beim CO2-Ausstoß.

Geht man noch einen Schritt weiter und ersetzt den Dieselmotor durch einen batterieelektrischen Antrieb, sieht die Sache schon ganz anders aus. Bei einem Elektro-Müllfahrzeug mindert allein der Akku mit einer Kapazität, die für eine Schicht ausreicht, die Zuladung um rund 400 – 600 kg. Das ist durchaus ein beträchtliches wirtschaftliches Problem. Ersetzt man jedoch sechs Hydraulikzylinder im Fahrzeug, die normalerweise zusammen ca. 800 kg wiegen, durch bis zu 70 % leichtere CFK-Zylinder, können dadurch 560 kg eingespart werden, was den Verlust der Nutzlast wett macht. Das Fahrzeug fährt genauso lange und muss keine zusätzliche Entleerung einplanen. Hinzu kommt: die Zylinder widerstehen organischen Säuren aus dem Müll problemlos und die hochwertigen Dichtungen sorgen für lange Lebensdauer.

Entscheidend ist also nicht immer die Gewichtsersparnis an sich, sondern das Gesamtsystem und der Einsatzfall. Das zulässige Gesamtgewicht von verschiedenen Fahrzeugen ist beschränkt. Auch gibt es bestimmte Gewichtskategorien bei den Führerscheinklassen. Müssen nun Ladebordwände oder Rollstuhlhebevorrichtungen über kompakte Hydraulikzylinder betrieben werden, können schon kleinere Einsparungen einen großen Unterschied machen. So reicht beim Einsatz von CFK-Zylindern u.U. die dann verfügbare Nutzlast noch aus, bei Stahlzylinder müsste dagegen ein größeres Fahrzeug oder eine andere Fahrzeugklasse zum Einsatz kommen. Werden dabei 3,5 t überschritten, schränkt das sogar den Kreis potentieller Fahrer deutlich ein.

Weniger tanken, mehr arbeiten

Masse zu beschleunigen oder anzuheben verbraucht Energie und damit Treibstoff. Beim Verbrennungsmotor erzeugt das Kohlendioxid. Der Einsatz von Pistenraupen ist ein gutes Beispiel, das Potentiale aufzeigt: Sie fahren zum Präparieren der Skipisten stundenlang bergauf und bergab, schieben dabei tonnenweise Schnee und modellieren ihn mit unterschiedlichen Vorsatzgeräten. Dabei sind in durchschnittlichen Pistenraupen ca. 10 unterschiedliche Hydraulikzylinder im Einsatz, bei Sonderausstattung, z.B. mit einem Fräsvorsatz für Halfpipes, kann deren Anzahl noch deutlich steigen. Leichtere Zylinder helfen hier schnell einige hundert Kilogramm Gewicht und entsprechend Treibstoff einzusparen. Je nach Betriebsbedingungen verlängern sich dadurch auch die Nachtankintervalle spürbar, was auch Wege zur Tankstation und zurück zur Piste und den damit verbundenen Verbrauch einspart. Und nicht zuletzt entfällt so ein größerer Teil der teuren Arbeitszeit auf das Präparieren der Piste statt auf das Tanken.

Doppelt gespart

Baggerschaufeln profitieren ebenfalls von leichten Zylindern, insbesondere wenn sie an langen Auslegern montiert werden. Zum einen wird die zu bewegende Grundlast geringer; das Heben und Bewegen des reinen Schaufelgewichtes erfordert weniger Kraft. Zum anderen kommt hier wie auch bei Kränen, Betonpumpen oder Forstharvestern mit langem Ausleger, eine Einsparkaskade in Gang: Je leichter der vordere Teil des Auslegers ist, umso kleiner und leichter können auch alle vorhergehenden Auslegerkomponenten dimensioniert werden. Unter Umständen reicht dann statt geschweißter Profile auch eine deutliche preiswertere Lösung aus umgeformtem, hochfestem Stahl. Das spart zusätzliche Masse und reduziert den Treibstoffverbrauch. Alternativ kann der Ausleger z.B. bei Betonpumpen oder Harvestern länger werden und dadurch deren Einsatzmöglichkeiten erweitern. Gerade Anwendungen mit dauernder dynamischer Bewegung profitieren besonders vom Leichtbau, den die CFK-Zylinder anstoßen.

Ballast abwerfen

Vermeidbare Masse zu bewegen kostet immer Energie und das zusätzliche Gewicht schränkt noch dazu oft die Einsatzmöglichkeiten von Arbeitsgeräten ein. Viele Baustoff- und Getränke-LKW haben sogenannte Mitnahmestapler, um Ware abzuladen. Meist hinter der letzten Achse angebracht, erhöhen sie nicht nur das Gewicht, sondern verändern auch den Schwerpunkt. Aufgrund der Hebelwirkung können hier schon kleinere Einsparungen zu Verbesserungen im Handling von LKW und Stapler führen und das permanent mitgeführte Leergewicht sinkt. Kleinere Flurförderfahrzeuge wie Bobcats werden gerne bei Gebäudeumbauten oder Abrissen eingesetzt. Hier ist die Tragfähigkeit der Geschossdecke entscheidend, ob ein Maschineneinsatz möglich ist oder nur teure Handarbeit mit der Schubkarre. Hier können schon wenige Pfund Übergewicht zum Ausschlusskriterium werden. Auch bei hydraulischen Geräten, die von Hand an den Einsatzort getragen oder gar bei der Arbeit gehalten werden, zählt jedes Gramm. Beispiele dafür sind hydraulisch abgestützte Betonverschalungen, Hebe- und Schubzylinder auf dem Bau oder Rettungszylinder für Scheren oder Spreizer der Feuerwehr. Im letzteren Fall wird nicht nur das Handling leichter, auch die Belastung des Rettungsfahrzeugs durch das Hilfsmittel sinkt – so können zusätzliche Hilfsmittel mitgenommen werden.

Für den wirtschaftlichen Einsatz von leichten Karbonhydraulikzylindern reicht ein einfacher Vergleich von Kosten und Gewicht der neuen Leichtgewichte mit den alten Stahlzylindern also meist nicht aus. In vielen Fällen steckt im Austausch der Zylinder ein echtes Mehrwertpotential. Vom einfachen Zylindertausch bis hin zu konstruktiven Anpassungen oder gar völlig neuen Antriebskonzepten können so je nach Anwendung die Produkteigenschaften deutlich verbessert werden. Gleichzeitig ist ein deutlich wirtschaftlicher und ökologischer Betrieb möglich.

Titelbild: Mark Hydraulik