Keramikgerechte Auslegung

Durch die neuen Entwicklungen in Werkstoff- und Bauteilsimulationen ist es inzwischen möglich, Keramik als Werkstoff auch für hoch komplexe Bauteile zu testen. Bisher konnten hierbei die Risiken nur sehr schwer kalkuliert werden. Denkbar ist der Keramikeinsatz für strukturierte tribologisch beanspruchte Komponenten wie Fräser, Zahnräder, Extrusionsmundstücke und keramische Verschraubungen. Hier können neue Anwendungsbereiche für Hochleistungskeramiken erschlossen werden.

Als notwendige Vorarbeit dazu sind die analytischen Methoden für die Charakterisierung der lokalen Spannungen und Tragfähigkeiten so verfeinert worden, dass mit ihnen bei einer Auflösung von 5 μm Eigen- und Lastspannungen sowie Phasenanteile bestimmt werden können. Diese Verfahren ermöglichen zusammen mit der Kopplung einer kontinuierlichen Detektion der Verschleißvolumenrate im Laborversuch eine neuartige Bewertung des tribologischen Verhaltens von Keramiken.

 

Keramische Antriebszahnräder

 

Für keramische Antriebszahnräder muss eine ideale Momentenübertragung durch das möglichst flüssig ablaufende Eingreifen der Zähne ineinander gelingen. Neben der Biegebelastung an den Zähnen ist auch der Verschleiß gering zu halten. Eine Verschleißzunahme entsteht bei den meisten Keramiken in erster Näherung bei einer Erhöhung des Produktes aus Kontaktpressung und Gleitweg an den Zahnflanken, die man in Modellversuchen wie Wälzen bestimmen kann. Gemeinsam mit der FCT Hartbearbeitungs GmbH, der Westsächsischen Hochschule Zwickau und gefördert durch das BMWi für zentrale Innovationen des Mittelstandes wurden die zuvor über Finite-Elemente-Simulation iterativ optimierten Geometrien hergestellt und bewertet. Für eine gesinterte SiC-Keramik wurde die für eine Drehmomentübertragung von Zahnrädern notwendige hohe Zahnfußfestigkeit nach der Endbearbeitung erreicht. Wegen der hohen Korrosionsbeständigkeit von SSiC bei Meerwasserschmierung, bekannt aus einem anderen Fraunhofer IWM-Projekt, wurde aus diesem Werkstoff ein Zahnrad für eine Mehrphasenpumpe der Bornemann Pumps GmbH hergestellt und wird zurzeit dort erprobt.

 

Keramische Verschraubung

 

Die keramische Verschraubung stellt besonders hohe Anforderungen an die Auslegung. Die ungünstige Kerbwirkung des Gewindes und die hohen Reibwerte sind für die spröde Keramik die dominanten Veränderungen im Vergleich zur Stahlverschraubung. Die hohen Reibwerte erzeugen ähnlich hohe Belastungsanteile über Torsions- wie über Zugbelastung. Anders als für Stahl erreicht ein Grobgewinde im Vergleich mit einem Feingewinde bei gleichem Anzugsmoment die höhere Vorspannung.

Die Wechselwirkung von Dehnungsbehinderung und Torsion wird mit der Finite-Elemente Simulation über eine Verschraubungssimulation berechnet. Für die Gestaltung des Gewindegrundes der höher belasteten Schraube hat sich nicht die Ausformung des Kerbradius sondern die Verkürzung dieser Kerbe in einer spezifischen Trapezform als vorteilhaft herausgestellt. Um auch die Aspekte der Herstellung und Bearbeitung abzudecken, wird dieses Projekt in Kooperation mit dem Fraunhofer IKTS und dem Fraunhofer IWF der TU Berlin über eine Förderung der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung durchgeführt.

 

Keramische Vollschaftfräser

 

Moderne Vielschneider-, Umfangs- und Schruppfräser aus SiAlON-Keramik wurden in einem Forschungsprojekt des INNONET mit Industriepartnern und in Kooperation des Fraunhofer IPK, des Fraunhofer IWF der TU Berlin sowie des IfWW der TU Dresden für die Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstückwerkstoffen entwickelt. Sie ermöglichen ein im Vergleich zu Hartmetallfräsern 8-faches Zeitspanvolumen. Schwerpunkte des Fraunhofer IWM waren hierbei die Bewertung der Eingriffsbelastung über Finite-Elemente Simulationen und die Reduktion der Zerspanungsdegradation der Schneidkante. Die geeignete Geometrie ermöglicht eine homogene Lastübergabe von Schneide zu Schneide über möglichst viele Schneiden sowie unter anderem angepasste Drallwinkel und Nuttiefen.