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Fallstudie

Neue Höhen erklimmen: Maezio® UD-Tapes in Baumsteigeisen

Unidirektionale Carbonfaser-Tapes der Marke Maezio® UD erobern neue Anwendungen und zeigen, dass thermoplastische Verbundwerkstoffe in Leichtbauweise eine gute Wahl für sicherheitsrelevante Baumsteigeisen sind – indem sie Duroplaste oder metallische Werkstoffe ersetzen und gleichzeitig eine Massenproduktion ermöglichen und das Recyclingpotenzial erhöhen.
Task

Hoch innovative Baumsteigeisen in Leichtbauweise

Baumklettern kann eine Freizeitbeschäftigung oder eine funktionale Aufgabe in der Forstwirtschaft, der Baumpflege oder bei der Ernte sein. Unabhängig vom Zweck sind Baumsteigeisen ein wesentlicher Ausrüstungsgegenstand für die persönliche und berufliche Sicherheit.  Diese tragbaren Halterungen mit integrierten Steigbügeln und Baumkletterspikes sind so konzipiert, dass sie die volle dynamische Last des Kletterers tragen und die Füße und Waden beim Aufstieg oder beim Sitzen auf einem Baumstumpf oder Ast entlasten. Bislang wurden die Steigeisen traditionell aus Stahl, Aluminium oder Kunststoffen auf Duroplastbasis hergestellt. 

Der Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) finanzierte ein Konsortium von Unternehmen, um ein neuartiges Baumsteigeisen-System zu entwickeln, das auf der Technologie des kontinuierlichen carbonfaserverstärkten Thermoplasts (CFRTP) basiert, mit dem leichte, extrem haltbare Verbundwerkstoffe kosteneffizient und im großen Maßstab hergestellt werden können. 

Federführend bei der Leichtbauweise war Cato Composites BV, ein niederländisches Unternehmen für die Entwicklung von CFRTP-Komponenten, im Auftrag seines Kunden Burkhard Baumsteigtechnik. Der Anbieter von Baumklettertechnologie der Marke Distel wollte seine bisherigen Leichtbau-Baumkletterer aus duroplastischen Harz-Verbundwerkstoffen durch ein neueres Produkt ersetzen, das eine gleichwertige oder sogar bessere mechanischen Belastbarkeit aufweist, aber auch strengere chemische und umwelttechnische Anforderungen erfüllen kann. Gleichzeitig sollte eine effiziente Teileverarbeitung bei höheren Stückzahlen möglich sein, um das Produkt zu wettbewerbsfähigen Preisen herstellen zu können. Cato griff auf die Simulationsexpertise von Reden BV und das Verbundwerkstoff- und Systemverarbeitungs-Know-how von Covestro zurück, um die Anforderungen seines Kunden zu erfüllen.
Challenge

Geringes Gewicht, hohe Leistung in Verbundwerkstoffen aus Massenproduktion

Die erste Herausforderung bei der Entwicklung dieses neuen Typs von Baumsteigeisen bestand darin, die hohe mechanische Belastbarkeit bisheriger Lösungen zu erreichen oder zu übertreffen und alle relevanten American Society for Testing and Materials (ASTM)-Normen zu erfüllen, einschließlich maximaler Lasten von bis zu 330 kg auf einem Fuß. Gleichzeitig bestand die Herausforderung darin, ein Komponentengewicht zu erreichen, das geringer ist als das eines gleichwertigen Aluminiumteils und genauso leicht oder leichter als das bestehender Duroplast-Steigeisen. Eine verbesserte Recyclingfähigkeit des Thermoplasts im Vergleich zu duroplastischen Harzmaterialien war ebenfalls eine Anforderung. Und schließlich musste Cato Composites wettbewerbsfähige Teilekosten in Kombination mit einer Massenproduktionskapazität von mehr als 5.000 Einheiten pro Jahr erreichen, was es Burkhard ermöglichen würde, neue und größere Marktpotenziale auszuschöpfen. Für Covestro bedeutete dies die Chance, seine thermoplastische Verbundstofftechnologie und sein Prozessfachwissen in einem neuen Anwendungsbereich unter Beweis zu stellen.

Maezio® UD-Tapes ermöglichen Verbundwerkstoffe mit maximaler Leistung bei minimalem Gewicht. Unsere firmeneigene Cato variotherm-Kompressionsformtechnik (VCM) ermöglicht die großvolumige Fertigung von Teilen mit einer netzförmigen quasi-isotropen Bandauflage. Dies bedeutet: minimales Abfallaufkommen und integrierte Qualität.

Joost van Lindert

Managing Director,Cato Composites BV

Maezio®-UD-Tapes machen das erste CFRTP-Baumsteigeisen möglich, das eine hohe Gewichtsauslastung stemmen kann bei                                                                                            gleichzeitig geringem Eigengewicht.                                                                                       ©Cato Composites 
Solution

Maezio® UD-Tape: leichte, großvolumige CFRTP-Lösung

Das carbonfaserverstärkte Polycarbonat Maezio® UD-Tape war die Werkstofflösung für das Dilemma der Baumsteigeisen. Die unidirektionale Faserleichtbauweise lieferte die geforderte Belastbarkeit und hochwertige Oberflächenqualität bei effizienter Verarbeitung in vergleichsweise kurzen Taktzeiten. Die thermoplastische Matrix ermöglicht zudem ein einfacheres Recycling als ein Verbundwerkstoff auf Duroplastbasis und sorgt so für weniger Abfall und notwendigen Deponieraum.
 
Zur Minimierung des Gewichts der Komponente und zur Maximierung der Leistung schichtete Cato Composites mehr als 50 Lagen Maezio® UD-Tape mit einer anisotropen Faserausrichtung aufeinander, um die Lastpfade der Anwendung, die mit Hilfe der Struktursimulationen von Reden BV kalibriert wurden, exakt zu erfüllen. Der so entstandene thermoplastische Carbonfaser-Baumkletterer erfüllt alle relevanten ASTM-Schwerlastnormen und wiegt dennoch 50 Prozent weniger als ein entsprechendes Aluminiumteil. Für den Endanwender macht das leichte Teil das Baumfällen einfacher und komfortabler.
 
Das Ziel einer skalierbaren, kostengünstigen Fertigung in hohen Stückzahlen wurde durch die Kombination der Cato-unternehmenseigenen Technologie des variothermen Formpressens (VCM) mit Maezio® UD-Tapes erreicht. Bei diesem Verfahren wurde die endgültige Komponente direkt aus einem netzförmigen Stapel der gestanzten Tapes geformt, was zu einem minimalen Materialabfall führt, selbst bei hohen Stückzahlen, die Burkhards Produktionsziel von 5.000 Stück pro Jahr erfüllen.
 
Die automatisierte Fertigungstechnik erhöht die Fertigungseffizienz im Vergleich zu duroplastischen Verbundwerkstoffen erheblich. Sie reduziert den Produktionsabfall auf nahezu Null und eliminiert Nachbearbeitungsschritte. Die Möglichkeit, Metalle durch Verbundwerkstoffe zu ersetzen, erhöht die Fertigungseffizienz und bietet der Industrie gleichzeitig ein höheres Recyclingpotenzial für Vebundwerkstoffe.
 
Die sicherheitskritischen Baumsteigeisen sind eine Branchenneuheit, die mechanische Leistung und Gewichtseinsparungen in einem thermoplastischen Verbundwerkstoffteil bietet, das in großen Mengen unter Verwendung von unidirektionalen Maezio® UD-Tapes als Werkstofflösung produziert werden kann. 
 
Neben Covestro waren auch Cato Composites BV und Reden BV FEA sowie Prozesssimulationen an der Entwicklung und Produktion des innovativen Teils für die deutsche Forstmarke Distel der Burkhard Baumsteigtechnik GmbH & Co. KG beteiligt.

Mit dieser Leichtbau-Anwendung haben wir bewiesen, dass es mit Maezio® UD-Tapes möglich ist, die Eigenschaften von Komponenten so anzupassen, dass diese höchste mechanische Leistung bieten, und damit die Gewichtseinsparung zu maximieren. Wir freuen uns darauf, dieses Wissen in neuen Anwendungen aus anderen Branchen anzuwenden.

Mike Shi

Head of Customer Interaction PCS Composites,Covestro

Leichte Carbonfaser-CF/PC-Tapes der Marke Maezio® UD, sind produktionsreif für neue Anwendungen.
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Wesentliche Vorteile

  • Leicht: Mithilfe von Maezio® UD-Tapes kann ein starkes Verbundteil produziert werden, das 50% leichter ist als Aluminium.
  • Leistungsstark: Unidirektionale CFRTP-Tapes ermöglichen Teile, die den ASTM-Tragfähigkeitsstandards entsprechen.
  • Hohe Stückzahlen: Die thermoplastischen Verbund-Tapes Maezio® UD eignen sich für Massenproduktionsprozesse.
  • Geringer Abfall: Variothermes Formpressen (VCM) ermöglicht eine präzise Stanzung.
  • Besser recycelbar: Eine thermoplastische Matrix ermöglicht ein einfacheres Recycling als Verbundwerkstoffe auf Duroplastbasis.

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