Carbon Drive

Im Werkzeugmaschinenbau sind die physikalischen Grenzen von Stahl mittlerweile ausgereizt. Die CarbonDrive GmbH aus Weiterstadt zeigt mit Vollcarbon-Motorspindeln einen Weg in die Zukunft. Sie ist der weltweit erste Hersteller für diese Art von Faserverbundlösungen für Werkzeugmaschinen.

Beschleunigung mit 60.000 Umdrehungen pro Minute

Die Motorspindel ist das Herz jeder modernen Werkzeugmaschine und hat großen Einfluss auf die Produktivität und Qualität der Maschine. Sie besteht aus einer elektrisch angetriebenen Welle mit integrierter Werkzeugschnittstelle, die durch Rotation das Werkstück bearbeitet. Im Minutentakt wird die Welle bis auf 60.000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt und wieder abgebremst.

Die Bedeutung von Motorspindeln für die deutsche Industrie versinnbildlicht ein gewöhnliches Auto, das aus rund 10.000 Einzelteilen besteht. Die große Mehrheit dieser Teile benötigt zur Herstellung eine eigene Werkzeugmaschine, die mit einer oder mehreren Motorspindeln ausgestattet ist. Die Effizienz der Bauteilfertigung hängt unter anderem von der Performance der Motorspindeln ab. Hierbei ist der Markttrend im Werkzeugmaschinenbau seit Jahrzehnten eindeutig: höhere Produktivität bei größtmöglicher Präzision, Dynamik und Oberflächengüte.

Mittlerweile sind jedoch fast alle hochbeschleunigten und -belasteten Komponenten so weit ausgereizt, dass die physikalischen Grenzen von Stahl erreicht sind. So dehnt sich Stahl während des Betriebs aus und beeinträchtigt die Genauigkeit der Spindel. Zudem sind Stahl-Motorspindeln sehr schwer und vibrationsanfällig, die Produktion wird begrenzt. Der aktuelle Weg, durch teure Zusatzkomponenten die negativen Effekte von Stahl zu kompensieren, gelingt nur begrenzt und ist bislang nur für Nischenanwendung bezahlbar. Beispielsweise werden aufwendige Kühlkreisläufe in die Spindelwelle integriert, um das thermische Längenwachstum der Welle zu kompensieren und damit die Wiederholgenauigkeit der Spindel zu verbessern. Dies ist vor allem in Hochpräzisionsanwendungen entscheidend, wo strenge Maßhaltigkeit und kleine Toleranzfelder sowie gute Oberflächenqualitäten gefordert sind.

Gesetzliche und gesellschaftliche Forderungen nach mehr Nachhaltigkeit und gesteigerter Ressourceneffizienz verschärfen das Problem zusätzlich: Die Maschinen sollen nicht nur produktiver und präziser werden, sondern gleichzeitig weniger Energie verbrauchen. Darum setzt die Carbon-Drive GmbH auf Motorspindeln aus Vollcarbon. Klare Vorteile gegenüber Stahl Das Unternehmen bietet die komplette Prozesskette von der Auslegung über die Herstellung bis zur Qualitätssicherung der Faser-Kunststoff-Verbund Komponenten (FKV). Das Produktspektrum reicht von einfachen Komponenten wie neuartigen Glasfaser-Federn zum Spannen der Werkzeuge über ultrapräzise Carbon-Spindelwellen bis hin zu kompletten Funktionseinheiten wie Vollcarbon-Motorspindeln.

Carbon verfügt über eine hohe spezifische Steifigkeit. Es ist sehr leicht und hat durch den richtigen Faserwinkel keine thermische Dehnung. Das bietet klare Vorteile gegenüber herkömmlichem Stahl und wirkt sich unmittelbar auf die Werkzeugmaschinen aus. Erstens führt ein um 90% verringertes Spindelnasenwachstum zu höchstmöglichen Präzisionsergebnissen und verringert die Ausschussquoten. Zweitens reduziert der Carbon-Einsatz die Masse um 50%, was den Energieverbrauch senkt und Kosten spart. Drittens steigert Carbon alle Beschleunigungsvorgänge um 50% und verkürzt somit die Warmlaufzeiten. Die Maschinen sind also früher betriebsbereit, was die Produktivität steigert.

Ziel von Carbon-Drive ist, durch den Einsatz von Carbon einen Technologiesprung in der Frästechnologie einzuläuten und sich als führender Hersteller von überlegenen Faser-Kunststoff-Verbund-Spindeln und angrenzenden Bauteilen für den Werkzeugmaschinenbau zu etablieren. Auf der Messe EMO 2017 wurde die Carbon-Drive mit dem Innovation Award in der Kategorie Antriebstechnik ausgezeichnet.

Weitere spannende Beispiele zu Leichtbauentwicklungen befinden sich in der Broschüre „Leichtbau“ des Technologielandes Hessen: www.technologieland-hessen.de/mm/TLH_Leichtbau_Hessen_web.pdf

www.carbon-drive.de