Ausgangssituation

Die Fertigung hochpräziser Faserverbundbauteile bildet die Grundlage für nachhaltige und energieeffiziente Leichtbauantriebskomponenten aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV), die sowohl bei der Herstellung als auch in der Nutzungsphase signifikante Ressourcen- und CO₂-Einsparungen ermöglichen. 
Zentrale Herausforderungen bei FKV-Komponenten sind die Lagerung rotierender Komponenten im Fertigungsprozess, die Ausführung hochpräziser Schnittstellen zu weiteren Antriebskomponenten und sehr enge Bauteiltoleranzen. Prinzipiell eignen sich FKV beispielsweise für Antriebswellen, für hochtourig laufende Hülsen in Elektroantrieben und Pumpen, wobei die Bauteilgüte bestimmend für die Leistungsfähigkeit und Ressourceneffizienz der Aggregate ist. 
Für diese Anwendungen ist insbesondere CFK aufgrund der geringen Dichte bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Festigkeit sowie einstellbarer minimaler thermischer Dehnung prädestiniert. Eine wesentliche Herausforderung für den Einsatz von FKV im Allgemeinen ist jedoch die mangelnde Reife von Herstellungsverfahren zur Erreichung benötigter Toleranzen für hochpräzise Bauteile wie z.B. die Hohlschaftkegelschnittstelle (HSK).

Bild 1: Hohlschaftkegelschnittstelle einer Motorspindel

Zielsetzung

Ziel des Verbundprojekts ist es, die Voraussetzungen für serientaugliche Schleifprozesse hochpräziser Faserverbundbauteile zu schaffen, um die breite industrielle Anwendung von FKV in ressourcenschonenden Antriebskomponenten (Maschinenbau, Automotive, Aviation) zu ermöglichen. Hierbei wird die gesamte Fertigungsprozesskette, sowie die Nutzungsphase der gefertigten FKV-Komponenten anhand verschiedener Prüfstände und Demonstratoranwendungen betrachtet. Als weiteres Ziel soll ein vertieftes Verständnis des Reib- und Verschleißverhaltens von hochbelasteten Oberflächen am Beispiel der HSK-Werkzeugaufnahme einer FKV-Werkzeugmaschinenspindel erlangt werden. Zudem soll die Übertragbarkeit der Ergebnisse der abstrahierten Versuche auf den konkret betrachteten Anwendungsfall nachgewiesen werden. Auf Grundlage der Untersuchungen sollen Gestaltungsempfehlungen für verschleißbelastete Welle-Nabe-Schnittstellen erarbeitet werden. 

Vorgehen

Zur Erforschung des tribologischen Verhaltens wird ein anwendungsnaher Prüfstand entwickelt und in Betrieb genommen. An diesem werden Reib- und Verschleißversuche an gewickelten Testkörpern mit unterschiedlichen Laminaten unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Hierbei ist insbesondere die Bestimmung von Reib- und Verschleißbeiwerten in Abhängigkeit von Einflussparametern wie Oberflächengüte, Wickelparameter, Schleif-, Kühl- und Schmierverfahren von Interesse, um die Auswirkungen der Schleifprozessgestaltung auf das tribologische Verhalten der Oberflächen zu verstehen. 
Anhand eines Prüfstandes für HSK-Aufnahmen wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse der vorangegangenen, abstrahierten Versuche auf den konkret betrachteten Anwendungsfall nachgewiesen. 

Bild 2: Prüfstandskonzeptidee