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Schallschutz und Schwingungsdämpfung in Bauteile integrieren

Wie Sie mit Faserverbundwerkstoffen im Maschinen- und Anlagenbau
Funktionen integrieren und Geld sparen können

Lärm am Arbeitsplatz verursacht Stress und macht krank. Daher hat der Gesetzgeber zahlreiche Regelungen zum Lärmschutz erlassen, etwa über die EG-Maschinenrichtlinie und die Lärm- und Vibrationsschutz-Arbeitsschutzverordnung. Da trifft es sich gut, dass es mit Faserverbundwerkstoffen möglich ist, Schallschutzeigenschaften direkt in die Bauteile zu integrieren. Dass diese Bauteile bereits “von Haus aus” Schwingungen dämpfen, macht sie auch für den Maschinenbau interessant. Lesen Sie hier mehr über das Thema Schallschutz und Schwingungsdämpfung mit Faserverbundwerkstoffen.
PRK Maschinen Industrie Laermschutz Faserverbundstoffe

Lärmvermeidung:
Warum sind Faserverbundwerkstoffe gut geeignet für integrierten Schallschutz bei Maschinen?

Eigenschwingverhalten verhindert die Entstehung von Schall

CFK, GFK und aramidfaserverstärkte Kunststoffe haben ein gutes Eigenschwingverhalten und erzeugen so weniger Schall, wenn sie Schwingungen ausgesetzt sind. Gerade über die Eigenschaften des Kunststoffs können sie so zusammengesetzt werden, dass sie Lärm erst gar nicht entstehen lassen. Dies kann hilfreich im Anlagenbau sein oder im Maschinenbau, wo CFK vermehrt zum Einsatz kommt. Carbon hat aufgrund seines E-Moduls sehr gute Werte in der Eigenfrequenz. Zudem haben die Composites eine deutlich höhere Abklingkonstante als Stahl oder Aluminium. Es entsteht daher eine akustische Dämpfung und dadurch weniger Emission von Schall.

Verkleidungen verhindern, dass Schall sich ausbreitet

Aber nicht nur über den primären Schallschutz mittels aktiver Schwingungsdämpfung sind Faserverbundwerkstoffe effektiv: Sie sind auch sehr gut geeignet um Verkleidungen für Maschinen zu erstellen. Oder komplette Schallschutz-Maschineneinhausungen für den aktiven Lärmschutz. Dabei können sie sich zur Schalldämmung einer Wand gut mit Schaumstoff-Schalldämmungen ergänzen. Auch bei Lärmschutzkabinen für Personal kann man sehr flexibel Schallschutzwände gestalten. Ein Vorteil ist hier auch, dass gleichzeitige Wärme- und Schalldämmung möglich ist. So eignen sich die Werkstoffe gut als Schallschutzhaube für Klimageräte, beispielsweise für eine Wärmepumpe. Auch kann bei einem Druckluft-Kompressor Schalldämmung durch eine Kompressor-Schallschutzhaube aus Faserverbundwerkstoffen erreicht werden.

Möglichkeit der Integration von Schalldämpfung mit anderen Funktionen

Das Anwendungsgebiet ist dabei nicht nur auf die klassische Industrie begrenzt. Will man beispielsweise bei einem Serverschrank Schalldämmung erreichen, kann man zudem weitere Vorteile der Faserverbundwerkstoffe nutzen, wie elektrische Isolation.
Die Schallschutzeigenschaften der Materialien können auch einzelne Bauteile gezielt aufwerten. Ein Beispiel dafür sind die Dächer von Reisemobilen aus GFK. Sitzt man bei Hagel in einem Reisemobil, dessen Dach mit einer Deckschicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff überzogen ist, so hört man die Einschlag-Geräusche deutlich gedämpfter.

Definition:
Was ist Lärmschutz / Schallschutz?

Was ist Lärm? Was ist Schall? Wie unterscheiden sich Lärm und Schall?

Von den beiden Begriffen ist Schall der neutralere. Er bezeichnet mechanische Schwingungen, die sich als Schallwellen durch ein Medium verbreiten: Dies können Gase, Flüssigkeiten oder feste Körper sein. In der Regel ist bei Schall jedoch die akustische Übertragung von Schallwellen über die Luft gemeint. Schall kann unterteilt werden in die Bereiche
  • Infraschall (Frequenz unter 16 Hz, nicht hörbar für den Menschen)
  • Hörschall (Frequenz von 16 Hz bis 20.000 Hz, für den Menschen hörbar)
  • Ultraschall (von 20 kHz bis 1,6 GHz, zu hochfrequent für das menschliche Gehör)
Je nachdem, ob der Schall erwünscht ist oder nicht, bezeichnet man den Schall als Nutzschall oder Störschall. Nutzschall entsteht beispielsweise bei einer Unterhaltung, oder wenn man Musik hört. Störschall können Maschinengeräusche in der Fabrik sein, oder der Triebwerkslärm an einem Flughafen.
Damit sind wir beim zweiten Begriff: Lärm oder Krach ist eine Bezeichnung für Geräusche, die als Störschall bzw. “unerwünschten Schall” wahrgenommen werden. Wie sehr Menschen Lärm und Schall ausgesetzt sind, ist messbar mit den folgenden Kennzahlen:
  • Der Schalldruckpegel bzw. Schallpegel gibt an, wie stark der Druck eines Schalls ist, und wird in Dezibel (dB) gemessen. Ein Schallpegel wird ab 120-140 dB als Schmerzhaft wahrgenommen - dies hängt auch von der Frequenz ab. Geräusche in dieser Lautstärke können schon nach kurzer Zeit bleibende Gehörschäden bei Menschen verursachen.
  • Die Tonhöhe, oft auch Frequenz, genannt, beschreibt die Anzahl an Schwingungen in einer bestimmten Zeitspanne. Sie wird in Hertz (Hz) gemessen. Schall wirkt ab einer gewissen Tonhöhe zunehmend unangenehmer.
  • Die Tonhaltigkeit beschreibt einzelne Ton-Bereiche aus einem Geräusch. Je nachdem, aus welchen Teilgeräuschen sich das Hauptgeräusch zusammensetzt, wird es als angenehm oder unangenehm empfunden.
  • Die Impulshaltigkeit beschreibt, wie regelmäßig bzw. gleichmäßig das Geräusch vorkommt. So kann ein konstant gleichbleibendes Geräusch eines Motors im Hintergrund oft besser ausgeblendet werden als ein unbeständiges Schlagen einer Maschine.
Während sich Luftschall in Längswellen mit einer Geschwindigkeit von 343 m/s (bei 20 °C) verbreitet, verbreitet sich Körperschall über Biegewellen. Die Geschwindigkeit unterscheidet sich dann nach Elastizität und Dichte des Mediums, der Temperatur und der Frequenz des Schalls.

Welche Arten von Lärmschutz gibt es?

Gebotszeichen „Gehörschutz benutzen“ nach DIN EN ISO 7010
Lärmschutz bzw. Schallschutz ist ein Teilgebiet des Immissionsschutzes. Der Schallschutz lässt sich in verschiedene Bereiche aufteilen:
  • technischer Schallschutz ist der Oberbegriff für alle Maßnahmen, die lärmarme Arbeitsverfahren und Konstruktionsweisen realisieren sollen. Das Gesamtziel ist dabei, lärmarme Arbeitsumgebungen zu schaffen und somit Personen durch technische Maßnahmen gegen Schall zu schützen.
  • aktiver Lärmschutz: Damit meint man den Schutz vor Emission von Lärm, beispielsweise indem man eine Anlage so dämmt, dass möglichst wenig Lärm aus ihr austritt. So benutzt man z. B. zur Schalldämmung Material wie einen Schaumstoff-Schallschutz oder Schwingungsdämpfer für Maschinen.
  • passiver Lärmschutz: Meint, dass man einen Menschen gegen Lärm von außen schützt. Möglichkeiten sind hier z. B. eine Schallschutzeinhausung für den Lärmschutz am Arbeitsplatz oder anbringen einer Schallschutz-Decke. Einfachere Maßnahmen sind Gehörschutz für die Mitarbeiter oder der Einbau von Lärmschutzfenstern.
  • primärer Lärmschutz: Hier versucht man Schall direkt an seiner Quelle einzudämmen, z. B. in dem man schalldämmende Stoffe verarbeitet oder zur Schalldämmung Platten einbaut.
  • sekundärer Lärmschutz: Man versucht hier Schall daran zu hindern, sich auszubreiten, beispielsweise mit einem Lärmschutz-Vorhang.
  • baulicher Schallschutz: Er bedeutet, dass man Schutzmaßnahmen gegen Schall bereits integriert, wenn Gebäude und Anlagen gebaut werden.
  • nachträglicher Schallschutz: Umfasst alle Maßnahmen, um Schallschutz innen nachträglich einzubauen, beispielsweise in dem ein nachträglicher Schallschutz der Wand eingerichtet wird.

Was ist Schalldämmung (Definition)?

Unter ihr versteht man, dass Schall in der Luft oder in Körpern daran gehindert wird, sich auszubreiten. Dies erreicht man, in dem man den Schall reflektiert. Hier gibt es wieder verschiedene Unter-Bereiche:
  • Luftschalldämpfung: Luftschalldämpfer verschlucken den Schall, der in einem Raum entsteht. Man benutzt also Dämmmaterial bzw. Absorptionsmaterial zum Schallschutz, Schaumstoff zum Beispiel, oder einen Schallschutz-Vorhang.
  • Luftschalldämmung: Man will verhindern, dass Schall beispielsweise eine Wand durchdringt. So kann mittels geeigneter Platten Schalldämmung im Maschinenraum einer Produktionsfirma erfolgen, bzw. indem Dämmstoffe zur Schalldämmung, z. B. Schaumstoff, in Wände eingebaut werden
  • Körperschalldämpfung setzt direkt an den Körpern an, an denen der Schall entsteht. Hier können Bauteile direkt aus Werkstoffen entstehen, die ein geeignetes Eigenschwingverhalten haben. Oder man verwendet Schwingungsdämpfer.


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Eigenschwingverhalten:
Welche Vorteile bieten faserverstärkte Kunststoffe (FVK) im Maschinenbau / Anlagenbau?

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Was ist Eigenschwingung?

Sie ist die Schwingung, die ein System in sich trägt, nachdem es einmal angeregt wurde. Die Eigenschwingung (Definition) besteht in der Regel aus einer Grundschwingung und einer Oberschwingung mit höherer Frequenz. Sie stellt dabei eine Überlagerung der ursprünglichen Impuls-Schwingung dar. Eigenschwingungen entstehen, weil ein Medium eingedrungene Wellen in sich reflektiert. Da es bei der Eigenschwingung Energieverluste gibt, sind Eigenschwingungen grundsätzlich gedämpfte Schwingungen. Die wesentlichen Kennzahlen bei Eigenschwingungen sind die Wellenlänge und die Eigenfrequenz des Materials.

Schwingung von Bauteilen dämpfen oder komplett verhindern

Schwingungsdämpfer in der Physik funktionieren oft mechanisch über die Konstruktionsform der Bauteile. Bei faserverstärkten Kunststoffen kann man stattdessen die Eigenfrequenz des Bauteils flexibel gestalten, je nachdem wie man die Fasern legt. Damit sind sie sehr geeignet, um Schwingungsdämpfung zu erreichen. Wenn man FVK optimal einsetzt, kann man Schwingungen von Maschinen-Bauteilen sogar komplett vermeiden.

Schnell bewegbare, präzise und verschleißarme Bauteile herstellen

So entstehen Leichtbau-Verbundwerkstoffe, die hochdämpfend sind. Sie ermöglichen, dass Bearbeitungsprozesse schneller und gleichzeitig präziser ablaufen können: Und dies bei höherer Lebensdauer der Bauteile und geringerem Verschleiß von Werkzeug!
Dabei ist zu beachten, dass Schwingungen im Maschinenbau eine der wichtigsten Störgrößen sind. Kann man sie reduzieren oder ausschalten, können Maschinen-Bauteile deutlich präziser arbeiten. Ein Schlüssel dazu ist, dass man geeignete Werkstoffe verwendet. FVK haben ein gutes Abklingverhalten und kommen so, in optimal ausgerichteter Form, aus einer freien Schwingung um ein sechsfaches schneller zur Ruhe als vergleichbare Bauteile aus Aluminium.

Einsparpotenziale bei bewegten Massen nutzen

Wegen ihrer geringen Dichte und hohen Festigkeit ermöglichen CFK sehr gute Beschleunigungs- und Verzögerungswerte. Dies zahlt sich direkt aus über kürzere Taktzeiten - die Folge sind niedrigere Kosten in der Fertigung! Ein besonderer Vorteil von CFK-Bauteilen ist, dass sie perfekt dafür geeignet sind, größere Massen zu beschleunigen. Da CFK-Composites extrem leicht sind, braucht man weniger Kraft für das Anfahren und die Beschleunigung. Auch benötigt man weniger Material, um eine erforderliche Festigkeit zu erreichen - so spart man wieder Masse und Volumen. Da FVK gute Möglichkeiten zur Funktionsintegration bieten, kann der Werkstoff zugleich mehrere Funktionen in einem Bauteil erfüllen - von chemischer Beständigkeit über Wärmeleitung bis zu integrierter Sensorik. Insgesamt kann man so bei bewegten Massen sehr große Einsparpotenziale erzielen.

Langlebigkeit und Präzision bei Hochgeschwindigkeit

Weil sie Schwingungen so gut dämpfen, sind CFK-Bauteile sehr langlebig.
Generell werden häufig CFK-Sandwichplatten im Maschinenbau eingesetzt bzw. Profilkonstruktionen mit CFK-Profilen. Es können sehr steife Bauteil-Konstruktionen entstehen, die auch dann noch sehr genau positionieren können, wenn extrem hohe Beschleunigungskräfte wirken. Ein Beispiel dafür sind moderne Roboter, die bei enormen Arbeitsgeschwindigkeiten dennoch präzise Arbeiten verrichten können.
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