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Profilkonstruktion CFK-Leichtbaukran mit starkem Arm

| Autor / Redakteur: Andreas Bleier / Josef-Martin Kraus

Für leichte und dennoch extrem belastbare Kranstrukturen eignen sich CFK-Profile. Aus UD-Prepregs gefertigt, werden sie zu Bauteilen wie dem Kragarm weiterverarbeitet, der dem Belastungsverlauf über den Lagenaufbau exakt angepasst ist. Für die hohe Profilsteifigkeit sorgen HM-Carbonfasern.

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Belastungsoptimierte Konstruktion: Der CFK-Leichtbaukran wiegt nur 40 kg und ist dennoch für Lasten bis 1 t ausgelegt.
Belastungsoptimierte Konstruktion: Der CFK-Leichtbaukran wiegt nur 40 kg und ist dennoch für Lasten bis 1 t ausgelegt.
(Bild: Kraus)

Zum Heben schwerer Lasten muss nicht zwangsläufig schwere Technik aufgefahren werden, wie der Leichtbaukran aus dem Hause Karl Mayer zeigt. Der Kran mit dem geringen Gewicht und dem starken Arm wiegt gerade einmal 40 kg und ist für eine Kraftaufnahme von 1 t ausgelegt. Von der Berechnung bis zur Umsetzung entand er komplett im CFK-Kompetenzzentrum des Textilmaschinenherstellers in Obertshausen.

Ausgangsmaterialien sind UD-Prepregs

Ziel dieses firmeninternen Projekts war die Entwicklung eines Krans, der leicht ist, kleinformatig verpackt werden kann und somit insbesondere Montageeinsätze im Ausland vereinfacht. Ausgangsmaterialien sind unidirektionale Prepregs (UD-Prepregs) aus HM-Carbonfasern (High Modulus). Sie wurden zu Bauteilen mit rechteckigen Hohlprofilen verarbeitet.

Das Design, insbesondere des Kragarms, wurde dabei exakt an den Belastungsverlauf angepasst. Die waagerechten Gurte des Profils nehmen die in Richtung Lagerung ansteigenden Biegemomente auf und zeigen hierfür einen zunehmenden Lagenaufbau. Die senkrechten Stege sind dagegen nur den relativ geringen konstanten Querkräften ausgesetzt. Sie konnten daher verhältnismäßig dünn ausgeführt werden, waren aber mit einer Schaumschicht gegen potenzielles Beulen zu verstärken.

HM-Carbonfasern sorgen für hohe Steifigkeit

Zur Konstruktion der Kranteile wurde die CAD-Software Catia V5 angewendet und zur mechanischen Bauteilanalyse das FE-Programm Abaqus. Beide Systeme stammen von Dassault Systèmes. Dagegen handelt es sich bei dem orthotropen, nichtlinearen Materialmodell inklusive Degradation zur Berechnung und Bewertung eines möglichen Schädigungsverlaufs bis zum Bruch um eine Eigenentwicklung. Sie entstand im Rahmen einer Promotion. Um den Bauteilverzug zu ermitteln, wurde der Abkühlprozess simuliert.

Stege und Gurte bilden ein schlankes, aber dennoch steifes Profil mit einem differenzierten Kraftaufnahmevermögen. Basis dafür ist die hohe Steifigkeit der HM-Carbonfasern. Die Konzipierung und Fertigung beliebiger komplexer Hohlprofile mit variierenden Wanddicken sind eine Spezialität des CFK-Kompetenzzentrums von Karl Mayer, das im vergangenen Jahr um ein Labor zur Herstellung und Prüfung von faserverstärkten Strukturbauteilen erweitert wurde.

Beim Zusammenfügen der einzelnen Kranteile wird auf Bolzenverbindungen und Verkleben gesetzt. Insbesondere Klebeverbindungen ermöglichen eine fasergerechte Lasteinleitung. Sie sparen ferner Gewicht ein.

Kompaktes Packmaß erleichtert den Transport

Der CFK-Leichtbaukran lässt sich auf ein kompaktes Packmaß bringen. Ausschlaggebend dafür sind eine durchdachte Klapp- und eine einfache Zerlegetechnik. Das erleichtert den Transport. Demgegenüber sind die konventionellen, rund 140 kg schweren Vergleichsprodukte erheblich sperriger.

Im aufgebauten Zustand hat der CFK-Kran die geometrischen Abmessung (H × B × T) von 222 cm × 131 cm × 202 cm. Last but not least sieht die praktische Leichtbaulösung, die bei der Markteinführung auf der JEC Show 2012 in Paris für Aufmerksamkeit der Besucher sorgte, auch gut aus: Alle Komponenten haben eine saubere, glatte Oberfläche – ganz ohne Nacharbeit.

Angespornt durch das positive Feedback wird nun ein weiterer Kran gebaut und ein Belastungstest durchgeführt. Der Belastungstest wird einen sogenannten Full-Scale-Test umfassen, um die statische Bruchlast zu bestimmen. Dazu kommt wahrscheinlich eine Prüfmaschine zur Anwendung, die auf den Kragarm drückt.

* Dr. Andreas Bleier ist Entwickler von Produkten aus Faserverbundkunststoffen bei der Karl Mayer Textilmaschinenfabrik GmbH in 63179 Obertshausen.

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