Diese Vorteile haben moderne CFK-Hydraulikzylinder

Das Einsatzfeld für Leichtbau-Hydraulikzylinder ist groß: Ihr reduziertes Gewicht macht (mobile) Maschinen und Elektromobile leichter. Dynamische Anwendungen können bei einer geringeren bewegten Masse anders dimensioniert werden, beispielsweise Zylinder an langen Auslegern. Zudem spielt der Leichtbau-Werkstoff im korrosiven Umfeld seine Stärken aus, beispielsweise bei Offshore-Einrichtungen, oder beim Schneepflügen. Das Unternehmen Mark Hydraulik aus Spital am Pyhrn hat aus diesen Gründen Hydraulikzylinder mit einem Materialmix aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK), Alu und Stahl für die Massenproduktion entwickelt. Dabei berücksichtigte der Hersteller von Anfang an auch eine rationelle Fertigung, damit die Vorteile des Leichtbaus nicht durch hohe Produktionskosten unattraktiv werden.

Grundsätzlich sollte das Zylinderrohr eines Hydraulikzylinders dem Innendruck ohne allzu große Verformung standhalten und die Zylinderinnenwand abriebfest und tribologisch optimal zu den verwendeten Dichtungsmaterialien passen. Nur so arbeiten Zylinder über viele Betriebszyklen zuverlässig. Um dies zu gewährleisten, setze die Entwicklungsabteilung auf einen dünnen Inliner aus Stahl, was den Einsatz bewährter Dichtungsmaterialien ermöglicht. Die mechanische Belastung fängt ein aus vorgespannten Kohlefaserrovings gefertigter CFK-Mantel auf, der maschinell um den Inliner gewickelt wird. Um das CFK-Rohr als rein rotationssymetrisches Teil vollautomatisch zu fertigen, wurden alle Anschlüsse in die Endstücke verlegt.

Auch in diesen Endstücken der Zylinder schlummerte Optimierungspotential. Sie dienen der Abdichtung und Ölzufuhr und führen gleichzeitig die Kolbenstange. Moderne hochfeste Aluminiumlegierungen sind bei den hier auftretenden Belastungen konventionellen Stahlpendants ebenbürtig und reduzieren das Gewicht. Jeder Werkstoff übernimmt in diesem Verbund dann seine Aufgabe: der Inliner schont die Dichtungen, der CFK-Mantel fängt die Kräfte auf, die Aluendstücke sorgen für Führung und Ölzufuhr. Der deutlich leichtere Compositzylinder ist mechanisch stabil, abriebfest und lässt sich automatisiert in großen Stückzahlen herstellen.

Zwischen 30 und 70 Prozent des Gewichts spart der Leichtbauzylinder gegenüber konventionellen Pendants; je nach Stahlwandung mit üblichen Dicken von fünf bis 15 Millimeter – und das bei gleichen mechanischen Eigenschaften. Zudem ist CFK, beziehungsweise das Harz im Verbundwerkstoff, von Hause aus korrosionsfest. Der Stahlinliner wird für eine gute Haftung und gegen Kontaktkorrosion behandelt. Die Aluminiumendstücke sind harteloxiert und damit ebenfalls korrosionsgeschützt. Die Kolbenfläche und Stange besteht bei heutigen Zylinderausführungen aus Kompatibilitätsgründen meist noch aus Stahl. Der Hersteller reduziert hier jedoch mit dem Einsatz von neuen Stahlsorten gezielt das Gewicht. Theoretisch ist aber auch hier der Einsatz abgestimmter Stahl-Kunststoff-Hybridbauteile möglich.

Hybridzylinder aus CFK-Verbund gibt es einige Zeit am Markt, jedoch sind das Einzelanfertigungen oder Kleinserien. Ziel der Neuentwicklung bei Mark war aber, mehrere tausend bis zigtausend Einheiten im Jahr wirtschaftlich zu fertigen. Dennoch sollten einfache, anwendungsspezifische Anpassungen schnell umsetzbar sein. Standardgröße sind daher momentan Modelle mit Kolbendurchmessern von 32 bis 125 Millimeter bei Arbeitsdrücken von 100 beziehungsweise 300 bar (Prüfdruck 450 bar) mit Längen bis zu zwei Meter und gegebenenfalls auch darüber. Die Arbeitstemperatur des Mineralöls darf bei Standardanwendungen zwischen -20 und 80 Grad Celsius liegen. Aber auch für andere Temperaturfenster ist eine Auslegung möglich. Dafür wurde die Fertigung komplett an den neuen Bedingungen ausgerichtet: Im ersten Schritt wird der Zylinder mit allen Metallbestandteilen und Dichtungen, wie dem dünnen Inlinerrohr, der Kolbenstange mit Dichtungen und den Endteile komplett montiert. Danach kommt der Zylinderrohling in die automatische CFK-Bewicklung. Dabei arbeitet der Hersteller mit Rovingvorspannung, gegebenenfalls auch mit Zylindervorspannungen (eines der firmeneigenen Patente), um die Dehnungstoleranzen bei höherem Innendruck zu minimieren. Die komplette Einheit wird dann in einem Ofen fertig gebacken, also ausgehärtet.

Die Zylinder sind nach dem Aushärten im Ofen direkt einsatzbereit und ihre Anwendungsbereiche sind breit gefächert. Ein typisches Beispiel in der Baubranche sind hydraulisch abgestützte Betonschalungen. Diese werden üblicherweise von Hand zusammengebaut, wobei Einzelteile oft über 100 Kilogramm wiegen. Selbst eine Gewichtseinsparung von 50 Prozent erleichtert das Handling auf der Baustelle deutlich. Auch bei kleinen Baggern, die bei Abrissarbeiten im Inneren von Gebäuden fahren, ist das Gewicht ein entscheidender Faktor. Die Tragfähigkeit der Decken ist hier das Maß aller Dinge und leichte Hydraulikzylinder vermindern das Einsatzgewicht. Bei langen Kranauslegern oder Betonpumpen bietet die reduzierte Masse der Zylinder Vorteile bei der möglichen Auslegerlänge.

Auch im Kommunalbereich können die Leichtbauzylinder punkten. Ob Kehrmaschine oder Müllwagen, je weniger Gewicht, umso weniger Antriebsenergie ist nötig, beziehungsweise der Akku (für mehr Reichweite elektrisch angetriebener Maschinen) oder die Nutzlast kann größer ausfallen. In solchen Anwendungen ist zudem die Korrosionsbeständigkeit ein wesentlicher Gesichtspunkt. do