Verbundwerkstoffe und das Geheimnis des Leichtbaus von CNC-bearbeiteten Teilen

Leichtbau ist der Prozess, das Gewicht eines Teils aus ökologischen und/oder wirtschaftlichen Gründen zu reduzieren. Ingenieure erreichen leichte Teile auf der Designebene, indem sie unnötiges Material entfernen, indem sie entweder Teile auskernen, Gitter in ihren Designs verwenden oder die Vorteile der Topologieoptimierung nutzen. Eine weitere effektive Methode zur Gewichtsreduzierung besteht darin, ein schweres Material gegen ein leichteres auszutauschen, das kritische mechanische Anforderungen erfüllt. Leichtere Teile sind umweltfreundlicher, kosten- und kraftstoffeffizienter und bieten Produktteams oft mehr Materialoptionen.

Leichtbau ist eine sehr beliebte Technik in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Bauindustrie. Zu den gängigen Anwendungen für Leichtbau in der Automobilindustrie – einem ihrer prominentesten Anwendungsfälle – gehören Motorblöcke, Fahrgestelle und eine Vielzahl anderer Teile. Wenn ein Produktteam Leichtbau nicht durch Konstruktionselemente wie Gitter, sondern durch den Einbau leichterer Materialien anstrebt, ist es wichtig, dass es ein Material verwendet, das weder Festigkeit noch Haltbarkeit einbüßt – Verbundwerkstoffe sind oft genau das Richtige.

Was ist ein Verbundwerkstoff?

Verbundwerkstoffe sind heterogene Mischungen aus zwei oder mehr Materialien, die bestimmte Eigenschaften erzielen sollen. Die endgültigen Eigenschaften des Verbundmaterials hängen letztendlich von seiner Zusammensetzung ab, aber im Allgemeinen sind Verbundmaterialien stärker als jedes Grundmaterial für sich.

Verbundwerkstoffe sind ideal für den Leichtbau, da sie gewichtsmäßig stärker sind als die meisten homogenen Hochleistungsmaterialien auf dem Markt. Die häufigste Struktur für Verbundwerkstoffe besteht aus Fasern, die durch eine Bindematrix zusammengehalten werden. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um die jeweils stärksten Aspekte zu vereinen. Die Verstärkungsfasern im Verbundstoff tragen die Last, während die umgebende Matrix, die häufig aus Polymeren besteht, dafür sorgt, dass die Fasern ihre relative Position beibehalten. Infolgedessen können Verbundwerkstoffe in einigen Fällen bis zu 10-mal stärker als Stahl und 8-mal stärker als Aluminium sein, aber immer noch bemerkenswert leicht. CNC-bearbeitete Teile aus leichten Verbundwerkstoffen sind kraftstoffeffizienter und einfacher zu transportieren oder zu installieren.

Neben hoher Festigkeit, Haltbarkeit und geringem Gewicht bieten Verbundwerkstoffe tendenziell eine erhöhte Designflexibilität. Sie können leicht geformt werden, um sich an komplexe Geometrien anzupassen, was sie ideal für den Einsatz bei der CNC-Bearbeitung macht. Und da für Verbundwerkstoffe so viele Materialkombinationen verfügbar sind, können Designer maßgeschneiderte CNC-Verbundwerkstoffe finden, die ihren einzigartigen Anforderungen entsprechen.

Gängige Verbundbaustoffe

Die beiden für den Leichtbau am besten geeigneten Klassifikationen von Verbundwerkstoffen sind Polymermatrix-Verbundwerkstoffe (PMCs) und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMCs). PMCs, auch bekannt als faserverstärkte Polymere, sind am weitesten verbreitet und verwenden ein Harz auf Polymerbasis für die Matrix und eine Kohlenstoff- oder Glasfaser für die Verstärkung. MMCs sind beliebt für den Leichtbau in der Automobilindustrie und verwenden ein Metall wie Aluminium für die Matrix und Siliziumkarbid für die Faserverstärkung.

Leichtbau-Verbundwerkstoffe können aus vielen verschiedenen Materialkombinationen hergestellt werden, sodass Ingenieure bei der Materialauswahl einen großen Spielraum haben. Hier sind drei gängige Verbundwerkstoffe, die zum Leichtbau von CNC-bearbeiteten Teilen verwendet werden.

1. Kohlenstoff

Kohlenstofffasern gibt es in zwei Hauptarten – Kohlenstoff auf Polyacrylnitrilbasis (PAN) und aus Pech gewonnener Kohlenstoff. 90 % der heute auf dem Markt befindlichen Kohlenstofffasern basieren auf Polyacrylnitril, und diese Fasern bieten hohe Steifigkeits- und Modulwerte sowie ein beeindruckendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Kohlenstoff eignet sich gut für den Leichtbau, da es sich um ein Verbundmaterial mit geringer Dichte und einem hohen Gewichtseinsparungspotenzial handelt – es ist sogar 50 % leichter als Stahl.

Häufige Anwendungen für CNC-bearbeitete Kohlefaserverbundwerkstoffe sind Rahmen, Fahrgestelle und andere Komponenten in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie. Leider sind die Kosten die wichtigste Einschränkung von Kohlenstoff. Laut dem International Research Journal of Engineering and Technology ist es 570 % teurer als Stahl, was für viele Produktteams unerschwinglich ist. Außerdem haben Kohlenstofffasern eine geringe Schlagfestigkeit, was Ingenieure beim Leichtbau in der Automobilindustrie berücksichtigen sollten.

2. Glas

Glasverbund-Füllmaterialien gibt es in fünf verschiedenen kommerziellen Zusammensetzungen – E-Glas, C-Glas, S-Glas, R-Glas und T-Glas. E-Glas ist die am häufigsten verwendete Glasfaser in Polymermatrizen für den Leichtbau und bietet hervorragende mechanische Eigenschaften, eine hohe elektrische Isolierung und eine geringe Anfälligkeit für Feuchtigkeit. C-Glasfasern eignen sich am besten für Anwendungen, bei denen das Teil chemische Beständigkeit erfordert, aber S-Glas hat eine höhere Festigkeit, Hitzebeständigkeit und einen höheren Modul.

Glasfüllstoffe können immer noch als Verbundmaterial für den Leichtbau verwendet werden, aber Ingenieure sollten wissen, dass glasfaserverstärkte Teile schwerer als kohlefaserverstärkte Teile sind und spezielle Konstruktionsanpassungen in Anwendungen erfordern, in denen eine hohe Steifigkeit erforderlich ist. Produktteams und Designer sollten diese Faktoren während der Designphase berücksichtigen. Trotz dieser Einschränkungen verwenden viele Produkte Glasfasern, da sie erheblich kostengünstiger sind als Kohlenstofffasern.

3. Aluminium

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis sind für den Leichtbau in der Automobilindustrie sehr beliebt. Im Allgemeinen haben Aluminiumlegierungen einige der höchsten Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse von allgemein erhältlichen Metallen, bieten eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und sind hochgradig korrosionsbeständig. Darüber hinaus wiegen Aluminiumverbundwerkstoffe etwa ein Drittel des Gewichts von Stahl.

Wenn Aluminium in einer MMC enthalten ist, kann das Verbundmaterial einen höheren Modul, einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine höhere Härte als unverstärktes Aluminium aufweisen. Übliche Anwendungen in der Automobilindustrie umfassen Fahrzeugrahmen, elektrische Leitungen, Räder, Motorteile und mehr. Leider kann die Verarbeitung von Aluminium die Herstellungskosten in die Höhe treiben.

Erste Schritte mit CNC-Verbundwerkstoffen

Für Ingenieure, die starke, flexible und beschädigungsresistente Teile bearbeiten möchten, ohne zusätzliche Masse hinzuzufügen, sind Verbundwerkstoffe die perfekte Wahl für den Leichtbau. Polymermatrix- und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe stellen zwei große Kategorien von Verbundwerkstoffen dar, und jeder Verbundwerkstoff, der in eine dieser Kategorien fällt, kann aus vielen verschiedenen Kombinationen von Materialien bestehen. Daher kann es für Produktteams eine Herausforderung sein, sicherzustellen, dass sie das richtige Verbundmaterial für ihr Projekt auswählen.

Ein erfahrener Fertigungspartner wie Fast Radius kann Produktteams dabei helfen, den Materialauswahlprozess zu meistern. Unser Team aus erfahrenen Designern, Ingenieuren, Maschinisten und Technologen verfügt über jahrzehntelange Erfahrung darin, Teams durch den gesamten Produktentwicklungsprozess zu führen, sodass wir wissen, dass ein außergewöhnliches Teil mit den richtigen Materialien beginnt. Kontaktieren Sie uns noch heute – wir helfen Ihnen gerne weiter.

Weitere Tipps zur optimalen Nutzung der CNC-Bearbeitung finden Sie in den entsprechenden Blog-Artikeln im Ressourcenzentrum von Fast Radius.

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