Aluminium Nutprofil - Übersicht und Berechnung der Durchbiegung

Aluminium-Konstruktionsprofile und Systemprofile dienen im Maschinenbau und Anlagenbau als tragendes Rahmenprofil. Das Aluprofil bildet mit den jeweiligen Anbauteilen ein stabiles und leichtes Konstrukt für Umhausungen und strukturelle sowie funktionelle Aufgaben. In diesem Beitrag erhalten Sie einen Überblick über in Europa erhältliche MISUMI - Aluminium-Konstruktionsprofile und erfahren, wie Sie abhängig vom jeweiligen Belastungsfall deren Durchbiegung berechnen können.

Anwendungsfälle für Aluminiumprofile

Aluminium-Nutprofile sind sehr stabil und aufgrund des geringen Gewichts gut für den Leichtbau geeignet. Durch die Eloxierung oder Einbrennlackierung sind sie vor Umwelteinflüssen geschützt. Ihr aufeinander abgestimmter modularer Aufbau ermöglicht  den Einsatz in zahlreichen Anwendungen. Durch normierte Abmessungen und Nutbreiten lassen sich gängige Aluprofile auf vielfältige Weise verbinden. Hierfür stehen Verbindungselemente / Profilverbinder und weiteres Zubehör zur Verfügung.

In vielen Maschinen und Anlagen werden die Aluprofile nicht nur für Umhausungen verwendet. Aluprofile bilden häufig das strukturelle Skelett einer Maschine oder Anwendung. Auch zur Aufnahme von Applikationen oder Geräten werden die modularen Systemprofile verwendet. Darüber hinaus sind Aluprofile zunehmend fester Bestandteil von Montagelinien, Prüfstationen, Arbeitsplätzen und Materialflusssystemen in der industriellen Fertigung. Dank Standardisierung bieten Aluprofile eine hohe Flexibilität bei kurzfristigen Anpassungen sowie Erweiterungen bestehender Konstruktionen. Durch eine große Auswahl an Profilquerschnitten und Nutbreiten lassen sich individuelle Lösungen realisieren. Diese reichen vom einfachen Tragrahmen bis hin zu komplexen Mehr-Achs-Systemen in der Fertigung und Automatisierungstechnik. In der Elektrotechnik und Sensorik werden Aluminiumprofile auch als Kabelführung oder Trägersystem für Lichtschranken, Scanner und Kameras genutzt. Dies ermöglicht eine saubere, sichere und wartungsfreundliche Installation.

Als Tragkonstruktion für Profilschienenführungen dienen Aluprofile als zuverlässige Montagemöglichkeit der Führungselemente. Profilschienen werden dazu in der Regel direkt in die T-Nut-Profile integriert oder aufgeschraubt. Einige Beispiele dazu finden Sie in unserem Beitrag Linearsysteme - Stabilität und Präzision durch Kombination von Lineareinheiten mit Linearführungen.

Ein großer Vorteil von Aluprofilen ist die Wiederverwendbarkeit. Bei Umbauten oder Stilllegungen lassen sich die eingesetzten Komponenten meist rückstandsfrei demontieren und neu zusammensetzen.

Aluprofil-Übersicht

MISUMI Aluminium-Konstruktionsprofile sind in Serien unterteilt. Die unterschiedlichen Serien beschreiben die Gewindegröße des Nutensteins der jeweiligen Serie. Ein Systemprofil der Serie 6 ist für Nutsteine mit einem M6 Gewinde ausgelegt und hat eine Nutbreite von 8mm

Die Teilenummer setzt sich aus den grundlegenden Informationen des jeweiligen Profils wie hier im Beispiel dargestellt zusammen:

Der Standard sind quadratische Profile, die auf jeder Seite eine Nut vorweisen. MISUMI bietet ebenfalls Profile, die nur auf zwei Seiten eine Nut besitzen. Die geschlossenen Nuten dienen als äußerliche Kante, um ein ebenmäßiges Bild zu erzeugen. Somit sind an den Außenkanten keine Nuten sichtbar. Untereinander unterscheiden sich die Profile zusätzlich in den Ausführungen Standard, leicht (hohl) und hohe Steifigkeit (massiv), welche jedoch nicht alle auf dem europäischen Markt angeboten werden. Mit einem Kantenmaß von 15x15mm ist die Serie 3 die kompakteste bei MISUMI in Europa angebotene Profilschienenserie. Zu dieser Serie ist nur ein eingeschränktes Angebot an Verbindern und Zubehör verfügbar.

• Aluminiumprofile Serie 3 - 15x15mm
• Winkelverbinder für Aluminiumprofile 15mm
• Nutenstein/T-Nut-Mutter

Eine kleine Auswahl der bei MISUMI in Europa erhältlichen Alu-Konstruktionsprofile in gängigen Abmessungen können Sie in der folgenden Übersicht einsehen:

Sonderformen von Aluminiumprofilen

Klassische vom quadratischen Querschnitt abweichende Sonderformen sind rechteckige Profile wie zB. das Profil HFS8-4080, die an der langen Seite zwei Nuten besitzen.

Es gibt aber auch andere Dimensionen wie das Profil EFSP6-30030, welches mit einer Kantenlänge von 30x300mm seitlich jeweils 10 Nuten bietet, Dreieckprofile wie das Profil HFS45TR6 oder Winkelprofile mit wählbarem Winkel von 30°, 45° oder 60° wie das Profil HFS60A5 mit einem 60° Winkel.

Eine andere Sonderform bilden Profile, die L-förmig sind und eine geschlossene und gerundete Profilkante bilden, um weiche Kanten in Konstruktionen zu erzeugen. Bei dem Profil HFSR5 handelt es sich zB. um ein solches Profil aus der Serie 5. Aber auch Spezialprofile, die innen hohl sind und einen großen Querschnitt besitzen, erweitern die konstruktiven Möglichkeiten.

Die unterschiedlichen Formen können auch miteinander kombiniert werden und ermöglichen so das für unterschiedliche Aufgaben passende Profil zu wählen. Somit kann in Bereichen, die nicht stark belastet werden, ein kleineres Profil verwendet werden, um Gewicht einzusparen. Diese Modularität ermöglicht auch bei sich bewegenden Applikationen eine geringere Trägheit zu erlangen. Auch die Aluprofil-Verbindung von unterschiedlichen Profilgrößen wie Serie 6 und Serie 8 ist möglich. Dafür sind spezielle Verbinder verfügbar, die unterschiedliche Nutbreiten miteinander verbinden können. Je nach Hersteller, können die Profilabmessungen, wie etwa die Nuttiefe, bei Profilen abweichen. Daher ist bei der Wahl der Nutmutter oder Hammermutter die Nutabmessung zu berücksichtigen.

Kunststoffabdeckungen und in einem wählbaren Radius gebogenen Profile wie das Profil HFSMG5 können verwendet werden um an notwendigen Umhausungen oder Schutzabdeckungen gebogene und abgerundete Schutzkanten zu erzeugen. Diese können zusätzlichen Schutz für Rahmenkonstruktionen bieten.

Berechnung der Durchbiegung

Die erforderliche Tragfähigkeit von Aluprofilen richtet sich nach deren geplanter Verwendung und Belastungsfall. Handelt es sich z.B. um einen einseitig eingespannten Ausleger, auf den eine vertikale Punktbelastung wirkt, eine gleichmäßige Lastverteilung oder um ein beidseitig eingespanntes Aluprofil? Und welches Profil wird verwendet?

Zur Berechnung der Durchbiegung f in mm werden folgende Werte benötigt:

• F = Belastung in N
• L = Freie Profillänge in mm
• I = Flächenträgheitsmoment in mm⁴
• E = Elastizitätsmodul des Materials in N/mm², für Aluminium typischerweise 70.000 N/mm²

Daraus ergeben sich folgende Schritte zur Berechnung der Durchbiegung:

1. Die auf das Profil wirkende Kraft F oder die Steckenlast q ermitteln.
2. Die freie Länge L des Aluprofils zwischen den Auflagern abmessen.
3. Das Flächenträgheitsmoment I (abhängig vom Profilquerschnitt) aus Datenblättern ermitteln.
4. Die Durchbiegung berechnen.

Die Formel variiert je nach Belastungsfall. Für einen einseitig eingespannten Aufleger würde sich die maximale Durchbiegung am freien Ende z.B. wie folgt berechnen:

Die Berechnung für die Durchbiegung von T-Profilen erfolgt prinzipiell nach den gleichen physikalischen Prinzipien. Zu beachten ist jedoch, dass sich das Flächenträgheitsmoment I aufgrund der Geometrie anders verteilt. Bei einseitigen Lasten kann es daher zu seitlichen Auslenkungen und Torsion kommen. Für die Berechnung wird der Abstand zur neutralen Faser (gedachte Linie im Balkenquerschnitt, die bei Biegung weder gestaucht noch gestreckt wird, also spannungsfrei bleibt) relevant. Dieser befindet sich in der Regel in der Querschnittsmitte, verschiebt sich bei unsymmetrischen Profilen wie T-Profilen oder T-Nut-Profilen jedoch.

Die nachfolgende Tabelle gibt einen kleinen Überblick über die empfohlenen Traglast von MISUMI-Aluminium Konstruktionsprofilen: