ULMA

Problemstellung
Technische Verbesserungen der Baumaschinen wurden in der Vergangenheit vor allem auf Grundlage vielfältiger Erfahrungen aus der Praxis entwickelt, was zu immer leistungsstärkeren Baumaschinen führte. Inzwischen ist ein Stand erreicht, bei dem weiter steigende Leistungs- und Sicherheitsanforderungen nur noch durch Anwendung wissenschaftlich gesicherter Optimierungsmethoden wirksam erfüllt werden können. Besondere Probleme bereitet die optimale Auslegung und Bemessung von Arbeitseinrichtungen, die unter ständig wechselnden Betriebsbedingungen für ein breites Spektrum von Aufgaben eingesetzt werden. Es bestehen hohe Anforderungen an die Beweglichkeit, Bewegungsgenauigkeit, Tragfähigkeit und Robustheit der Maschinenstruktur. Bisher wurden diese Anforderungen in einem aufwendigen Entwicklungsprozess mit Hilfe von Prototypenerprobungen und Betreibererfahrungen im Praxistest erreicht.
Durch innovative Fertigungstechnologien beim Fügen von Metallschaum und hochfesten Feinkornbaustählen sind neue Maschinenkonzepte in Leichtbauweise mit verbessertem Kosten-Nutzen-Verhältnis möglich. Damit diese neuen Konstruktionen und Werkstoffe in den Maschinen übernommen werden, sind mindestens 20% an Gewichtsreduzierung anzustreben. Um die Akzeptanz bei potentiellen Kunden zu finden, ist eine schnelle Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis sicherzustellen.

Projektziele und erreichte Ergebnisse
Mit der Anwendung des Ultraleichtbaus bei mobilen Arbeitsmaschinen wird die Funktionalität dieser Maschinen durch Erhöhung von Reichhöhe, Reichweite und Traglasten sowie der Steigerung der Verstellgeschwindigkeit und Positionierungsgenauigkeit entscheidend verbessert. Gleichzeitig soll die dynamische Standsicherheit und die Fahrdynamik verbessert werden. Zur Umsetzung dieser Ziele wurden dünne hochfeste Baustählen in Verbindung mit Metallschaum als Versteifungsstruktur verwendet, die zu ultraleichten Bauelementen mit hoher Systemsteifigkeit und -dämpfung führen. Stellvertretend für die vielfältigen Arbeitseinrichtungen wurde der Ultraleichtbau beispielhaft an drei repräsentativen Baugruppen (Demonstratoren) untersucht: an einem hydraulisch verstellbaren knickgelenktem Hohlkastenprofilausleger, einer Verstellkinematik mit Leichtbau-Hydraulik-zylinder - beides Teile der Autobetonpumpe - sowie einer hydraulisch arretierbaren Schnellwechseleinrichtung mit einem Standardtieflöffel als Arbeitswerkzeug, die z.B. für das Auswechseln von Baggerschaufeln eingesetzt wird.

Neben der rein konstruktiven Optimierung der Bauteile der verwendeten Demonstratoren, kamen im Rahmen des ULMA-Projektes auch alternative Werkstoffe und Fügeverfahren zum Einsatz. So wurden erfolgreich umfangreiche Versuche mit Aluminiumschaum-Platten durchgeführt, die in ein Stahlkastenhohlprofil aus hochfestem Feinkornbaustahl eingeklebt wurden. Bei den Förderleitungen wurden die Kombinationen Stahl-Kunststoff als auch CFK-Kunststoff zur Serienreife gebracht. Durch den neuen Einsatz von Aluminiumkupplungen an Stelle der Stahlausführungen wurden weitere Gewichtseinsparungen an der Förderleitung möglich. Anbauteile, die bisher in Stahl gefertigt wurden, wurden in Kunststoff produziert, wie z.B. der Wassertank und der Spritzschutz am Aufgabetrichter. Alle Maßnahmen zusammen machten es möglich, einen neuen Betonverteilermast zu konstruieren, der bei gleichem Gesamtgewicht mehr Reichhöhe bzw. Reichweite hat. Bei der Fa. Putzmeister entstand eine neue Autobetonpumpe, die als Demonstrator im Rahmen
des Forschungsprojektes konstruiert und gefertigt wurde.

Durch die gewonnenen Erkenntnisse war der Einsatz hochstfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen bis 960 N/mm2 möglich. Durch diese Maßnahmen konnte bei dem zweiten Demonstrator, einem Schnellwechsler Typ HS80 eine Reduzierung der Gesamtmasse um ca. 370 kg erreicht werden, was eine Massenreduzierung von ca. 25% entspricht. Bei Komponenten des Schnellwechslers, z. B. für die Verriegelung in Leichtbauweise und der Leichtbauhydraulikblock, wurde eine Gewichtsreduzierung von bis zu 60% erreicht. Neuartige Technologien und Werkstoffe wurden auch für die Hydraulikzylinder zur Verriegelung der angekoppelten Arbeitswerkzeuge in CFK-Leichtbauweise angewendet.

Ausblick
Alle Ergebnisse des Forschungsvorhabens wurden in Form von Demonstratoren auf der weltweit wichtigsten Baumaschinenausstellung BAUMA 2004 vom 29. März bis 4. April 2004 in München und auf der Baumaschinenfachtagung der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg im Oktober 2004 einem breiten Publikum vorgestellt. Ein Leitfaden zur Realisierung von Ultraleichtbau bei mobilen Arbeitsmaschinen, der in der Schriftenreihe der Forschungsvereinigung Bau- und Baustoffmaschinen (FVB) veröffentlich wird, stellt eine weitere breite Anwendung der Forschungsergebnisse sicher. Auf Grund der erbrachten hervorragenden Ergebnisse des Projektes ULMA wird die Projektarbeit mit den Projektpartnern auch nach dem Ablauf der BMBF-Förderung fortgesetzt.

Leitfaden "Ultraleichtbau bei mobilen Arbeitsmaschinen" (Ausgewählte Beispiele)

Autor: Gelies, S.; et al.

Verlag: Forschungsvereinigung Bau- und Baustoffmaschinen (FVB) im VDMA

Erscheinungsjahr: 2005, März

Beschreibung: Mit der Anwendung des Ultraleichtbaus bei mobilen Arbeitsmaschinen soll die Funktionalität dieser Maschinen durch Erhöhung von Reichhöhe, Reichweite und Traglasten sowie der Steigerung der Verstellgeschwindigkeit und Positionierungsgenauigkeit bei gleichzeitiger Verbesserung der dynamischen Standsicherheit und der Fahrdynamik entscheidend verbessert werden. Die Umsetzung dieser Ziele wird durch Verwendung von dünnen hochfesten Baustählen in Verbindung mit Metallschaum als Versteifungsstruktur, die zu ultraleichten Bauelementen mit hoher Systemsteifigkeit und ¿dämpfung führen, erreicht. Stellver-tretend für die vielfältigen Arbeitseinrichtungen wird der Ultraleichtbau beispielhaft an drei repräsentativen Baugruppen (Demon-stratoren); wie an einem hydraulisch verstellbaren knickgelenktem Hohlkastenprofilausleger, einer Verstellkinematik mit Leicht-bau-Hydraulikzylinder sowie einer hydraulisch arretierbaren Schnellwechseleinrichtung mit einem Standardtieflöffel als Arbeits-werkzeug untersucht. Ausgehend von einer gründlichen Ermittlung der maßgeblichen Lastkollektive werden die Forschungs-ergebnisse auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse über die Werkstoffkombination Metallschaum/hochfester Feinkornbau-stahl, sowie über die Anwendung geeigneter Fügetechnik an den drei Demonstratoren dargestellt. Umfangreiche Prüfstands-tests, begleitet von Tests im betrieblichen Einsatz, zeigten die Übertragbarkeit der Ergebnisse in die betriebliche Praxis auf. Der Abschlussbericht ist in der Schriftenreihe der Forschungsvereinigung Bau- und Baustoffmaschinen, Heft-Nr. 31, erschienen und ist über den VDMA zu beziehen (fvb@vdma.org)