Hydraulische Leichtgewichte in Serie

Zylinder der Zukunft aus CFK

Bei langen Auslegern für Kran oder Bagger bietet die reduzierte Masse der Zylinder deutliche Vorteile. Bild: Mark Hydraulik

Hydraulische Aktoren bewegen die unterschiedlichsten Dinge: von Baggerschaufeln bis hin zu Windkraftflügeln. Im Gegensatz zu den vielfältigen, oft innovativen Einsatzbereichen gleichen sich die Hydraulikzylinder selbst aber meist sehr. Wegen der großen Belastung durch hohe Drücke sind Zylinderrohre und Kolbenstangen fast immer aus Stahl gefertigt. Zunehmend setzt der Markt aber auf Leichtbau. Selbst in Branchen, die bislang klassischen Stahlbau bevorzugen, halten moderne Composit-Werkstoffe Einzug. Mit kohlefaserverstärkten Hydraulikzylindern lassen sich bis zu 70 % Gewicht einsparen. Also einfach Stahl durch Kohlefaser-Composit ersetzen? Nicht ganz, denn es gilt einige Details zu beachten und auch die Serienfertigung erfordert viel Know-how.

CFK-Zylinder sind nicht nur leicht, sondern auch korrossionsbeständig. Bild: Mark Hydraulik

CFK-Zylinder sind nicht nur leicht, sondern auch korrossionsbeständig.

Das Einsatzfeld für Leichtbau-Hydraulikzylinder ist groß: ein reduziertes Gewicht macht (mobile) Maschinen oder Elektromobile leichter. Auch andere dynamische Anwendungen können aufgrund einer geringeren bewegten Masse anders dimensioniert werden, beispielsweise Zylinder an langen Auslegern. Zudem spielt der Leichtbau-Werkstoff im korrosiven Umfeld seine Stärken aus, beispielsweise bei Offshore-Einrichtungen, oder Schneepflügen. Die Mark Hydraulik GmbH aus Spital am Pyhrn hat daher das klassische Arbeitselement „Hydraulikzylinder“, von Grund auf neu entwickelt und mit einem optimierten Materialmix aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK), Alu und Stahl deutlich „abgespeckt“. Dabei wurde von Anfang an auch eine rationelle Fertigung berücksichtigt, damit die Vorteile des Leichtbaus nicht durch hohe Produktionskosten unattraktiv werden.

CFK und Alu statt Stahl

Kohle und Stahl spielen seit der Industrialisierung in der Technik eine grundlegende Rolle. Auch moderne Hightech-Produkte wie die Leichtbauzylinder setzen auf diese Stoffe – jedoch mit einer ganz neuen Zielrichtung. Dünnere, dafür hochfeste Stahllegierungen und Kohlefasern können mit weniger Masse die gleichen Kräfte auffangen, das spart Gewicht. Vergleicht man das spezifische Gewicht der gängigen Werkstoffe so betragen die relativen Unterschiede bezogen auf Stahl mit 7,85 kg/l = 100 % für Titan 58 %, Aluminium 34 % und Carbonfaser wiegt sogar nur etwa 22 % der gleichen Volumenmenge Stahl. Vor allem bei voluminösen Bauteilen lassen sich folglich mit modernen Aluminiumlegierungen und Kohlefaserverbundwerkstoffen enorme Gewichtseinsparungen erzielen. Allerdings erfordern diese Werkstoffe völlig neue Fertigungskonzepte; ein Aspekt, der beim Einsatz neuer Materialien in der Serienfertigung oft unterschätzt wird. Die Entwicklung der Carbonzylinder wurde daher von Anfang an an die Fertigungsmöglichkeiten angepasst.

Der richtige Werkstoff an den richtigen Stellen – reduziert auf das Wesentliche

Die Stangenführung dient der Abdichtung und Ölzufuhr und führt die Kolbenstange. Bild: Mark Hydraulik

Die Stangenführung dient der Abdichtung und Ölzufuhr und führt die Kolbenstange.

Grundsätzlich muss das Zylinderrohr eines Hydraulikzylinders dem Innendruck ohne allzu große Verformung standhalten und die Zylinderinnenwand abriebfest und tribologisch optimal auf die verwendeten Dichtungsmaterialien angepasst sein. Nur so können die Zylinder über viele Betriebszyklen zuverlässig arbeiten. Um das zu gewährleisten, setzen die Spezialisten aus Spital auf einen dünnen Inliner aus Stahl, was den Einsatz bewährter Dichtungsmaterialien ermöglicht. Die mechanische Belastung fängt ein aus vorgespannten Kohlefaserrovings gefertigter CFK-Mantel auf, der maschinell um den Inliner gewickelt wird. Um das CFK-Rohr als rein rotationssymetrisches Teil mit ressourcenschonendem Endlosfilament optimal an den Kräfteverlauf anpassen und vollautomatisch zu fertigen, wurden alle Anschlüsse in die Endstücke verlegt.

Auch in diesen Endstücken der Zylinder schlummert Optimierungspotential. Sie dienen der Abdichtung und Ölzufuhr und führen gleichzeitig die Kolbenstange. Moderne hochfeste Aluminiumlegierungen sind bei den hier auftretenden Belastungen konventionellen Stahlpendants ebenbürtig und reduzieren das Gewicht zusätzlich. Jeder Werkstoff übernimmt in diesem Verbund dann seine Aufgabe: der Inliner sorgt für ideale Dichtungsschonung, der CFK-Mantel fängt die Kräfte auf, die Aluendstücke sorgen für Führung und Ölzufuhr. Der deutlich leichtere Compositzylinder ist mechanisch stabil, abriebfest und lässt sich automatisiert in großen Stückzahlen herstellen.

Vergleicht man den Leichtbauzylinder mit konventionellen Pendants, lassen sich beim Zylinder je nach Stahlwandung mit üblichen Dicken von 5 bis 15 mm zwischen 30 und 70 % Prozent des Gewichts einsparen – und das bei gleichen mechanischen Eigenschaften. Zudem ist CFK, bzw. das Harz im Verbundwerkstoff, von Hause aus korrosionsfest. Der Stahlinliner wird für eine optimale Haftung und gegen Kontaktkorrosion behandelt. Die Aluminiumendstücke sind harteloxiert und damit ebenfalls korrosionsgeschützt. Die Kolbenfläche und Stange besteht bei heutigen Zylinderausführungen aus Kompatibilitätsgründen meist noch aus Stahl. MARK reduziert hier jedoch mit dem Einsatz von neuen Stahlsorten gezielt das Gewicht. Theoretisch ist aber auch hier der Einsatz abgestimmter Stahl-Kunststoff-Hybridbauteile möglich.

Serienfertigung oder Zylinder nach Maß

CFK-Zylinder in Serienfertigung von Anfang an, mit mehreren tausend bis zigtausend Einheiten im Jahr. Bild: Mark Hydraulik

CFK-Zylinder in Serienfertigung von Anfang an, mit mehreren tausend bis zigtausend Einheiten im Jahr.

Hybridzylinder aus CFK-Verbund gibt es einige Zeit am Markt, jedoch sind das durchweg Einzelanfertigungen oder Kleinserien. Ziel der Neuentwicklung war aber, mehrere tausend bis zigtausend Einheiten im Jahr wirtschaftlich zu fertigen. Dennoch sollten einfache, anwendungsspezifische Anpassungen für einzelne Kunden schnell umsetzbar sein, um immer marktgerechte Lösung anbieten zu können. Standardgröße sind daher momentan Modelle mit Kolbendurchmessern von 32 bis 125 mm bei Arbeitsdrücken von 100 bzw. 300 bar (Prüfdruck 450 bar) mit Längen bis zu 2 m und gegebenenfalls auch darüber. Die Arbeitstemperatur des Mineralöls darf bei Standardanwendungen zwischen -20 und +80 °C liegen. Aber auch für andere Temperaturfenster ist eine Auslegung möglich. Dafür wurde die Fertigung komplett an den neuen Bedingungen ausgerichtet:

Automatisierte Wicklung per Roboter für höchste Qualität und große Stückzahlen. Bild: Mark Hydraulik

Automatisierte Wicklung per Roboter für höchste Qualität und große Stückzahlen.

Im ersten Schritt wird der Zylinder mit allen Metallbestandteilen und Dichtungen, wie dem dünnen Inlinerrohr, der Kolbenstange mit Dichtungen und den Endteile komplett montiert. Danach kommt der Zylinderrohling in die automatische CFK-Bewicklung. Dabei arbeitet Mark mit Rovingvorspannung, gegebenenfalls auch mit Zylindervorspannungen (eines der MARK Patente), um die Dehnungstoleranzen bei höherem Innendruck zu minimieren. Die komplette Einheit wird dann in einem Ofen fertig gebacken, also ausgehärtet.

Weniger Gewicht, mehr Korrosionsbeständigkeit

CFK-Zylinder sind leicht zu tragen, z.B. auf dem Bau oder für Ersatzteilversorgung im Feld. Bild: Mark Hydraulik

CFK-Zylinder sind leicht zu tragen, z.B. auf dem Bau oder für Ersatzteilversorgung im Feld.

Die leichten, korrosionsbeständigen Zylinder sind nach dem Aushärten im Ofen direkt einsatzbereit und ihre Anwendungsbereiche sind breit gefächert; von Transportfahrzeugen über landwirtschaftliche Geräte bis hin zu Luftfahrt und Marine reicht die Bandbreite schon heute.

Ein typisches Beispiel in der Baubranche sind hydraulisch abgestützte Betonschalungen. Diese werden üblicherweise von Hand zusammengebaut, wobei Einzelteile oft über 100 kg wiegen. Selbst eine Gewichtseinsparung von nur 50 % machen da bei 100 kg Grundgewicht der Hydraulikzylindern immerhin 50 kg aus, die weniger zu tragen sind. Das erleichtert das Handling auf der Baustelle deutlich. Auch bei kleinen Baggern, die bei Abrissarbeiten im Inneren von Gebäuden fahren, ist das Gewicht ein entscheidender Faktor. Die Tragfähigkeit der Decken ist hier das Maß aller Dinge und leichte Hydraulikzylinder vermindern das Einsatzgewicht. Bei langen Kranauslegern oder Betonpumpen bietet die reduzierte Masse der Zylinder deutliche Vorteile bei der möglichen Auslegerlänge.

Salz und Wasser im Schneepflugeinsatz sind kein Problem für die CFK-Zylinder. Bild: Mark Hydraulik

Salz und Wasser im Schneepflugeinsatz sind kein Problem für die CFK-Zylinder.

Im Kommunalbereich sind heute zunehmend elektrisch angetriebene Fahrzeuge im Einsatz. Auch hier können die Leichtbauzylinder punkten. Ob Kehrmaschine oder Müllwagen, je weniger Gewicht, umso weniger Antriebsenergie ist nötig, bzw. der Akku (für mehr Reichweite) oder die Nutzlast kann größer ausfallen. In solchen Anwendungen ist zudem die Korrosionsbeständigkeit ein wesentlicher Pluspunkt. Gleiches gilt für Containerstapler, Offshoreeinrichtungen oder Windkraftanlagen. Wenn bei Letzteren die Rotorblätter der Windsituation angepasst werden, senkt eine geringere bewegte Masse das Trägheitsmoment des Rotors und entlastet die tragenden Teile vom Rotorlager bis zum Turm. Auch bei langen Kranauslegern oder Betonpumpen bietet die reduzierte Masse deutliche Vorteile bei der Dynamik bzw. der möglichen Auslegerlänge. Selbst in der Logistik finden sich viele Anwendungen für die Leichtbauzylinder: kleine Arbeitsbühnen oder mobile und stationäre Roboter profitieren von jedem Kilogramm eingesparter Masse.

 

Über Mark Hydraulik
Die MARK Gruppe, mit derzeit 550 Mitarbeitern, blickt auf eine fast 100jährige Geschichte mit vielen Innovationen zurück, u.a. mit der Erfindung der Skischuhschnalle. Der Einstieg in die Automobilindustrie schuf die Basis für nachhaltiges unternehmerisches Handeln und damit das Fundament für die konsequente Entwicklung bahnbrechender Technologien und Produkte. Die neueste Innovation sind ultraleichte Carbon-Hydraulikzylinder für sämtliche Branchen. Marktforschung und stete Investitionen in Forschung und Entwicklung begleiten konsequent das neue Produkt. Die Hydraulikzylinder sind zwischen 30 und 70 Prozent leichter als vergleichbare marktübliche Zylinder und erlauben so mehr Dynamik und weniger Gewicht für Elektromobilität oder massekritische Anwendungen.

Weitere Informationen zum Thema finden Sie unter https://www.markhydraulik.at/

Alle Bilder: Mark Hydraulik

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Alfred Kindl

Leiter Entwicklungs-Koordination, Marketing und Vertrieb bei MARK Hydraulik

Andreas Zeiff

Andreas Zeiff

Studium des Chemie-Ingenieurwesens und der Chemie, Beschäftigung mit Elektronik, berufliche Tätigkeit im Maschinenbau, seit Ende 1998 journalistisch tätig für das Redaktionsbüro Stutensee.

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