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Ausgewählte Ausgabe: 06-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Zementbetone für Maschinenkomponenten unter hochfrequenter Wechsellast

Zementbeton bietet als alternativer Werkstoff im Werkzeugmaschinenbau hohe Potentiale. Vorgestellt werden die Ergebnisse von Dauerlast-Versuchen an einem Resonanzprüfstand, der hochfrequente Wechsellastversuche bei über 500 Hz zulässt. So kann die Dauerfestigkeit verschiedener Zementbetone unter maschinennahen Einsatzbedingungen ermittelt werden. Neben dem Schädigungsverhalten wird der Steifigkeitsabfall der Prüfkörper zweier verschiedener Zementbetonmischungen vorgestellt.


Bild 1.  Prüfstand für hoch- frequente Wechsellastunter- suchungen an Betonproben.

Bild 1.
Prüfstand für hoch- frequente Wechsellastunter- suchungen an Betonproben.

Im Werkzeugmaschinenbau können neue Werkstoffe, die sich durch eine hohe Dämpfung und einen guten dichtebezogenen E-Modul auszeichnen, bestehende Materialien ersetzen. Ziel ist die Verbesserung der dynamischen Eigenschaften und die Reduzierung der Kosten. Zementbeton bietet hierfür gute Chancen. Aufgrund fehlender Grundlagenuntersuchungen hinsichtlich der dynamischen Festigkeitseigenschaften wird er jedoch bisher nur vereinzelt – insbesondere für statisch belastete Gestellbauteile wie Maschinenbetten – eingesetzt.

Das Forschungsprojekt

In einem gemeinsamen DFG-Forschungsvorhaben des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen University und des Lehrstuhls für Baustoffkunde am Institut für Bauforschung der RWTH Aachen University (ibac) werden die Einsatzmöglichkeiten von zementgebundenem Beton im Werkzeugmaschinenbau als eigenständiger Werkstoff und als Verbundwerkstoff erarbeitet.
Durch die betontechnologische Entwicklung in den letzten drei Jahrzehnten konnten die Eigenschaften von Zementbeton deutlich verbessert werden und erreichen beziehungsweise übertreffen in vielen Bereichen das Niveau von Polymerbeton, der im Werkzeugmaschinenbau zurzeit als Substitutionswerkstoff – beispielsweise anstatt Gusseisen – eingesetzt wird. Somit soll es im Anschluss an die Untersuchungen möglich sein, Zementbeton zukünftig als Substitutionswerkstoff anstelle des teuren und aufgrund des Epoxidharzanteils ökologisch bedenklichen Polymerbetons im Werkzeugmaschinenbau einzusetzen.

Ausgangssituation

Die Steifigkeit, Dämpfung und geometrische Maßhaltigkeit sind im Werkzeugmaschinenbau wichtige Materialeigenschaften leistungsfähiger Gestellbauteile. Da das dichtebezogene Elastizitätsmodul von zementgebundenem Beton auf einem ähnlichen Niveau wie Gusseisen liegt, müssen die Bauteilgewichte bei Verwendung von zementgebundenem Beton nicht nennenswert erhöht werden, um vergleichbare Steifigkeiten zu erzielen. Die Materialdämpfung von Beton ist zudem sehr gut. Die geometrische Maßhaltigkeit kann jedoch durch Schwind- und Kriechverformungen des zementgebundenen Betons beeinträchtigt werden. Um diese möglichst zu minimieren, werden diverse betontechnologische Kenntnisse, zum Beispiel möglichst geringe Wasserzementwerte, geringe Bindemittelgehalte, Wärmebehandlung oder Autoklavierung eingesetzt.
Aufgrund der Vibrationsbelastung im Betrieb ist zudem die Dauerfestigkeit unter Schwingungsbelastung eine Grundvoraussetzung für einen Einsatz im Werkzeugmaschinenbau. Um das dynamische Langzeitverhalten von Bauteilen abschätzen zu können, werden im Bauingenieurwesen an zementgebundenen Betonen üblicherweise Ermüdungsversuche durchgeführt. Dabei liegt die Frequenz in der Regel unter 20 Hz [1–3], in Ausnahmen bei bis zu 200 Hz [4]. Der Schädigungsverlauf, der an zementgebundenen Betonen typischerweise beobachtet wird, kann in drei Phasen eingeteilt werden [5]:

  • Phase I (Rissentstehung): schneller Anstieg der spezifischen Nachgiebigkeit,
  • Phase II (stabiler Rissfortschritt): nahezu konstante spezifische Nachgiebigkeit,
  • Phase III (instabiler Rissfortschritt): schneller Anstieg und Bruch.

Dabei ist die Schädigungsgeschwindigkeit abhängig von der Beanspruchungsart (Wechsel-, Druckschwell- oder Zugschwellbeanspruchung). Als kritischste Belastung ist die Wechselbelastung einzustufen, hier ergibt sich in der Regel die geringste Lastwechselanzahl, einhergehend mit der schnellsten Schädigung. Dies wird beispielsweise in [6] durch die abweichende Orientierung der wachsenden Mikrorisse unter Druck- beziehungsweise Zugbelastung erklärt.
Da bislang nicht eindeutig quantifiziert werden konnte, wie sich bei Frequenzen größer 10 Hz der Einfluss der Frequenz auf das Ermüdungsverhalten auswirkt, sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Auswirkungen hoher Frequenzen abschätzen zu können [1;7]. Bei spanabhebenden Werkzeugmaschinen ergeben sich während der Bearbeitung Schwingungen, die auch in Bereichen über 500 Hz noch kritische Niveaus erreichen und sich somit auch potentiell schädlich auf den Konstruktionswerkstoff auswirken können, insbesondere bei Zugbeanspruchung [8]. Als Konsequenz ergibt sich daraus, dass eine Quasi-Dauerfestigkeit bei den hohen Schwingungsfrequenzen nicht (wie im Bauingenieurwesen üblich) nach 2 × 106 Lastwechseln (LW) angenommen werden kann, da diese bereits in weniger als 2 h erreicht werden kann (1,8 Millionen LW/h bei 500 Hz).

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Autoren

Prof. Dr.-Ing.  Christian Brecher

Jahrgang 1969, ist Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen am  Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen sowie Direktor und Leiter der Abteilung Produktionsmaschinen am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT.

Werkzeugmaschinenlabor RWTH-Aachen WZL
Steinbachstraße 19
52074 Aachen
www.wzl.rwth-aachen.de

Dipl.-Ing. Simo Schmidt

Wissensch. Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Dipl.-Ing. David Jasper

Wissensch. Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
Steinbachstraße 19
52074 Aachen
Tel.: 02 41/80 27 408
E-Mail: d.jasper@wzl.rwth-aachen.de
www.wzl.rwth-aachen.de

Dipl.-Ing. Christian  Neunzig

Jahrgang 1980, studierte Bauingenieurwesen an der RWTH Aachen und war im Anschluss wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bauforschung der RWTH Aachen University (ibac).  Seit 2016 ist er dort als Leiter der Arbeitsgruppe Beton tätig.

Dr..-Ing. Marcel Fey

Jahrgang 1982, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen und war im Anschluss wissenschaftlicher Mitarbeiter am WZL. Seit 2014 leitet er als Oberingenieur die Abteilung Maschinentechnik am WZL, wo er 2016 promovierte.

Abkürzungen

DL: Dauerlauf
FRF: Frequency Response Function (Nachgiebigkeitsfrequenzgang)
GK: Größtkorn
LW: Lastwechsel
NB: Normalbeton
oSF: ohne Stahlfasern
PK: Prüfkörper bzw. Probenkörper
UHPC: Ultra-High-Performance Concrete (Ultra-hochfester Beton)
w/z: Wasser-Zementverhältnis

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