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Hohlkugelkomposit - Charakterisierung thermischer und mechanischer Eigenschaften eines neuen Leichtbauwerkstoffes

Autor :Erika Baumeister
Herkunft :OvGU Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau
Datum :23.04.2004
 
Dokumente :
Dataobject from HALCoRe_document_00004989
 
Typ :Dissertation
Format :Text
Kurzfassung :Die Konstruktion von Werkzeugmaschinen und Robotern erfordert zwingend den Leichtbau, um den Anforderungen der Entwicklung von Schneidwerkstoffen, der modernen Steuerungstechnik und Antriebstechnik gerecht zu werden. Der Leichtbau ist eine interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft, die auf Erkenntnisse der Festigkeitslehre, Rechentechnik, Werkstoffkunde und Fertigungstechnik basiert. Bei der Umsetzung der Forderung, Maschinenbauteile in Leichtbauweise auszuführen, werden gegenwärtig 3 Konstruktionsstrategien angewendet: Formleichtbau, Stoffleichtbau und Bedingungsleichtbau. Während die Optimierung der Bauteileigenschaften durch FEM - Berechnungsmethoden oder konstruktive Maßnahmen bereits zu praxisrelevanten Lösungen geführt hat, befindet sich der Einsatz neuer alternativer Werkstoffe noch in den Anfängen der Applikation. So wurden seit einigen Jahren Stahl und Gusseisen als Werkstoff für Werkzeugmaschinenbauteile durch Mineralguss ersetzt. In der Luft- und Raumfahrtindustrie zeichnet sich der Einsatz von hochleistungsfähigen Faserverbundwerkstoffen ab. Mit dem weiteren Einsatz von ausschließlich monolithischen Werkstoffen können keine weiteren Massereduzierungen mehr erzielt werden. Die Anwendung der zellularen Werkstoffe wird deshalb immer zwingender. Ein Trend in den letzten Jahren war die Entwicklung von Metallschäumen, die für Werkzeugmaschinenbauteile mittels Klebetechniken verarbeitet werden. Demgegenüber gestaltete sich die Herstellung von Bauteilen aus dem bei Raumtemperatur aushärtenden Hohlkugelkomposit (HKK) einfacher, indem in einem Gießvorgang mit hoher Maßhaltigkeit gefertigt wird. HKK ist ein Verbundwerkstoff, der größtenteils (über 60 Vol.-%) aus Hohlkugeln unterschiedlicher Schüttdichte und Korngrößen (5µm bis 2 mm) als Füllstoff und aus einem Bindemittelsystem, im untersuchten Fall aus Reaktionsharz (meistens Epoxydharz), besteht. Durch die hohle Struktur der extrem leichten Füllstoffe können kleine Dichtewerte bei Hohlkugelkompositen erzielt werden, die zwischen 0,38 und 1,15 g/cm³ in Abhängigkeit von der verwendeten Hohlkugelart variieren. Die Hohlkugeln, die als Basiswerkstoff für HKK dienen, bestehen aus borosilikatischen, aluminosilikatischen, keramischen Werkstoffen oder Kunststoffen. Die Eigenschaften der Ausgangswerkstoffe unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung, Dichte, Körnung, Schmelztemperatur, Schüttgewichte, Wärmeleitfähigkeit und Druckfestigkeit, die wiederum unterschiedliche Eigenschaften der verschiedenen HKK-Varianten hervorrufen. Um die optimalen HKK-Varianten als Leichtbauwerkstoffe für die Konstruktion von Werkzeugmaschinenbauteilen auswählen zu können, war die Ermittlung des Eigenschaftsprofils von HKK-Werkstoffen erforderlich. Aus diesem Grund bestand das Ziel dieser Arbeit in der Charakterisierung thermischer und mechanischer Eigenschaften von HKK. Durch experimentelle werkstofftechnische Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Hohlkugeln eine Verringerung der Festigkeitswerte gegenüber dem Ausgangswerkstoff Reaktionsharz verursachen, jedoch zu einer Erhöhung der Elastizitätsmodule führen. Aus diesem Grunde werden diese Werkstoffe für auf Steifigkeit ausgelegte Werkzeugmaschinenbauteile bevorzugt. Gute Ergebnisse hinsichtlich massebezogenen mechanischen Kennwerten wurden von einer Hohlkugelkomposit-Variante, deren Füllstoffanteile aus unterschiedlichen Hohlkugelfraktionen verschiedener Art und Kornklasse bestand, erreicht. Diese HKK-Variante wurde für die Fertigung des äußeren Armes und des inneren Armes eines SCARA-Roboters anstelle einer Aluminiumlegierung verwendet. Es konnten durch die kombinierte Anwendung von HKK im Verbund mit Aluminiumeinlegeteile und mittels belastungsgerechter Anordnung von Kohlefasern eine 10% und 35% Gewichtsreduzierung gegenüber der Originalausführung erzielt werden. Gute Resultate hinsichtlich des Schwingungsverhaltens wurden auch bei der Anwendung von HKK-Verbund für einen Fräsmaschinentisch und einer Fräsvorrichtung gewonnen. Durch die Entwicklung von Hohlkugelkomposit steht den Konstrukteuren ein sehr leichter Werkstoff zur Verfügung, dessen spezifische Eigenschaften, genauso überzeugt, wie die vom Mineralguss oder Metallschaum. Durch die kugelige Form der Füllstoffe sind die Oberflächen glatt und der Harzverbrauch reduziert sich. Positiv für den Anwender sind auch die geringen Material- und Herstellungskosten. Die Korrosionsbeständigkeit und Recycelbarkeit sind weitere Vorteile dieses Werkstoffes, um die Anwendung im Werkzeugmaschinenbau zu fördern.
Schlagwörter :Hohlkugelkomposit, Syntaktische Schäume, Füllstoffe, Reaktionsharzsystem, Leichtbau, Werkzeugmaschinenbau, Roboter, Prüfmethoden
thermische und mechanische Eigenschaften
Rechte :Dieser Text ist urheberrechtlich geschützt.
Größe :IV, 143 S.
 
Erstellt am :20.10.2008 - 11:52:29
Letzte Änderung :22.04.2010 - 09:23:04
MyCoRe ID :HALCoRe_document_00004989
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