Beitrag zur Gestaltung funktionsintegrierender, leichtbauoptimierter Faser-Kunststoff-Verbund-Wellen für den Maschinenbau

Die vorliegende Arbeit entwirft ein neues, leichtbauoptimales Motorspindelwellen-Konzept. Das Entwicklungsziel ist eine maximale spezifische Steifigkeit. Daraus ergibt sich der Ansatz Stahl vollständig durch einen Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbund zu substituieren. Anhand einer Referenzspindel aus Stahl werden einzelne Problemstellen für den Wechsel auf eine CFK-Bauweise identifiziert und priorisiert. Als wichtigster Punkt wird im ersten Schritt die unmittelbare Lagerung einer CFK-Spindelwelle untersucht. Davon ausgehend werden Konzepte zur leichtbauoptimalen, lösbaren Lagerfixierung auf CFK-Wellen entwickelt und geprüft. Als nächster entscheidender Punkt wird eine CFK-Werkzeugaufnahme entwickelt. Als einzige Komponente, bei der es nicht zielführend ist, auf Metall zu verzichten, stellt sich das weichmagnetische Joch heraus. Abschließend wird ein Gesamtkonzept aufgestellt und in einem Demostrator umgesetzt. Mit Hilfe detaillierter FE-Modelle werden statische, dynamische und thermische Simulationen durchgeführt. Während die statische Nachgiebigkeit um 42% zunimmt, kann die erste Eigenfrequenz um 56% und die thermische Verlagerung der Spindelnase um 71% verbessert werden.