Leichtbau-Karabiner aus Kunststoff – Technologieträger „carb-biner und Karabiner 2.0“

Leichtbau = Werkstoff + Konstruktion + Prozess

Kunststoffe sind für die Herausforderung des Leichtbaus die prädestinierten Werkstoffe. Ihre geringe Dichte gepaart mit der Designfreiheit und Wirtschaftlichkeit des Spritzgussverfahrens ermöglicht die Herstellung von kostengünstigen Großserien mit Werkstoffen, die maßgeschneidert auf die konkreten Anforderungen der Bauteilfunktion sind.
Das Wissen um die Potentiale, aber auch die Schwächen moderner Kunststoffwerkstoffe ist nur ein Teil einer erfolgreichen Leichtbaulösung. Je anspruchsvoller die Aufgabenstellung, desto größer die Bedeutung einer kunststoffgerechten Konstruktion und der optimalen Nutzung der verfügbaren Fertigungstechnologien.

Karabiner = Technologieträger für intelligente Leichtbaulösungen

Karabinerhaken zum Transport geringer Lasten, sogenannte Materialkarabiner, werden heute üblicherweise aus Stahl oder Aluminium gefertigt. Es ist also naheliegend, durch Einsatz von leichten Kunststoffen eine deutliche Gewichtsreduktion anzustreben. Die technische Herausforderung liegt aber in der zusätzlichen Funktionsintegration des Schnappers. Hier gilt es, die mechanische Festigkeit des Karabiners durch Einsatz eines hochfesten, aber spröden carbonfaserverstärkten Kunststoffs zu erreichen und gleichzeitig ein Federelement zu integrieren, das bei voller Auslenkung eine Bruchdehnung von mehr als 10% erfordert.

Die Lösung für diese Herausforderung liegt im Einsatz der Sandwich-Technologie, einer speziellen Art des Mehrkomponenten-Spritzguss. Hierbei wird zunächst ein flexibler Kunststoff (z.B. das POM KEBAFORM C90.0, im Bild rot eingefärbt) in das Werkzeug eingespritzt. Dann während des Einspritzvorgangs ein Ventil betätigt, um den Weg für ein zweites, hochfestes Material freizugeben (z.B. das Karbonfaser verstärkte POM KEBAFORM C902CF, im Bild schwarz eingefärbt).
Durch die Rheologie, also das Fließverhalten der dickflüssigen Kunststoffschmelzen bildet das zuerst eingespritzte Material die äußere Komponente und das folgende Material die innere Komponente.

Die erzeugte Werkstoffpaarung hat gleich mehrere Vorteile. Das Karbonfaser verstärkte Material bildet einen extrem steifen und festen Kern, der die mechanischen Belastungen des Materialkarabiners aufnimmt. Im Bereich des Federelements liegt dieses Material sehr nah bei der neutralen Biegelinie und erfährt daher nur eine geringe Dehnung.
Das flexible, unverstärkte Material bildet eine geschlossene Außenhaut, die einerseits eine gute Oberflächenqualität mit freier Farbgebung ermöglicht und andererseits die stark gedehnten Randbereiche des Federelements mit hoher Dehnung abbildet.
So erreicht man in nur einem Arbeitsgang in der Spritzgussfertigung die Kombination völlig unterschiedlicher Materialeigenschaften in einem Bauteil und kann so mehrere Funktionen integrieren und Montageprozesse einsparen.

Das Ergebnis: 60% Gewichtsreduktion gegenüber herkömmlichen Materialkarabinern

Durch die intelligente Kombination zweier Werkstoffe in einem Mehrkomponentenspritzguss-verfahren entsteht ein außergewöhnliches Produkt. Der carb-biner ist mit nur 9 Gramm Gesamtgewicht ca. 60% leichter als ein herkömmlicher Materialkarabiner und erreicht dabei eine Maximalbelastung von über 80 kg.

Bionik: Was wir von der Natur für den Leichtbau lernen können

Die Experten der Anwendungstechnik der BARLOG Gruppe nutzen die Methoden und Erkenntnisse der Bionik, um maßgeschneiderte Lösungen für die Anforderungen der Industrie zu entwickeln. Bionik beschäftigt sich mit dem Übertragen von Phänomenen der Natur auf die Technik. Wendet man die Grundlagen der Wachstumsgesetze der Natur auf die Optimierung von Bauteilkonstruktionen mittels Finite-Elemente-Analyse (FE-Analyse) an, erhält man gleichmäßig belastete Strukturen bei minimalem Materialeinsatz.

Der Karabiner 2.0

Unter den Gesichtspunkten der Bionik nahmen wir uns den carb-biner nochmals vor. Ziel war es, bei gleichem oder geringerem Materialeinsatz eine höhere Maximalbelastung zu erreichen.

Hierzu wurden zunächst im Prüflabor die Schwachstellen des carb-biner definiert. Dadurch konnten die Produktentwickler mit Methoden der Bionik und des Computer Aided Engineering den Karabiner Stück für Stück verbessern. Wie in der Natur wurde an wenig belasteten Stellen ausgedünnt und an stark beanspruchten Zonen verstärkt. Dadurch weist der Karabiner 2.0 im Vergleich zu seinem Vorgänger bei gleichbleibendem Materialeinsatz die doppelte Tragfähigkeit auf. Mit nur 9,6 Gramm Gesamtgewicht ist er wie sein Vorgänger 60 Prozent leichter als ein herkömmlicher Materialkarabiner aus Aluminium und erreicht dabei eine Maximalbelastung von über 160 kg.