Innovative Materialien für den Maschinenbau, Untersuchungen zur Anwendbarkeit von UHPC als Maschinengestell-Werkstoff (Teil 1: Identifizierung der wesentlichen Mechanismen der feuchteabhängigen Eigenschaften)
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Zielstellung des Projektes war die Untersuchung des High-Tech Baustoffes ultrahochfester Beton (UHPC) für die Anwendung im Werkzeugmaschinenbau. Hierbei erscheint die Anwendung von UHPC für Maschinengestelle wegen der einfachen Handhabung, den guten Formgebungs- und Dämpfungseigenschaften und der guten Recyclingfähigkeit als besonders sinnvoll. Im Zusammenhang mit der Anwendung als Werkzeugmaschinengestell ist durch spanende Bearbeitung eine hohe Dauerhaftigkeit gegenüber den eingesetzten Kühlschmier- und Hilfsstoffen notwendig. Besonders unterschiedliche Feuchtezustände, führten in der Forschung immer wieder zu teilweise stark variierenden Biegezugfestigkeiten. Ziel der Untersuchungen war, die Problematik der feuchtabhängigen Biegezugfestigkeit näher zu betrachten und Lösungsansätze zu erarbeiten. Die Untersuchung der Biegezugfestigkeit in Abhängigkeit der Geometrie, des Größtkorndurchmessers sowie der Umgebungsfeuchte zeigte, dass die relativen Biegezugfestigkeiten im trockenen Zustand um bis zu 50% gegenüber den feuchtgelagerten Proben reduziert sind. Tendenziell waren die relativen Biegezugfestigkeiten bei höheren Gesamtporositäten geringer. Weiterhin führte die Zugabe von Stahlfasern zu einer deutlichen Verbesserung des Verhaltens, sodass auch trocken gelagerte Stahlfaserbetone noch circa 80 – 90 % der Biegezugfestigkeit nach Wasserlagerung aufwiesen. Vertiefend wurde die prinzipielle Reversibilität dieses Verhaltens betrachtet, um einen Einfluss durch unterschiedliche Hydratationsbedingungen durch die Vorlagerung auszuschließen. Dabei zeigte sich, dass nach Unterwasserlagerung einer trockenen Betonprobe die Biegezugfestigkeit sukzessive ansteigt und nach längeren Lagerungszeiten die Biegezugfestigkeit wassergelagerter Proben erreichen kann. Es konnte ein linearer Zusammenhang zwischen der Einlagerungszeit in Wasser (als Wurzel der Zeit) und der Biegezugfestigkeit gefunden werden. Zusätzliche rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen unter atmosphärischen Bedingungen (ESEM) zeigten deutliche Risse an der Oberfläche der trockenen Proben. Hierbei ist allerdings ein gewisser Einfluss aus der Präparation der Proben nicht auszuschließen. Im wassergesättigten Zustand zeigten die gleichen Proben verringerte Rissweiten und deutliche Mineralausblühungen an den Rissflanken. Diese Ausblühungen sind unter Umständen auf die Hydratation von zuvor noch nicht reagiertem Zementklinker zurückzuführen, da das Wasser durch die Risse in den Beton eindringen konnte. Die Frage, ob es einen Zusammenhang zwischen den höheren Biegezugfestigkeiten im feuchten Zustand und den Mineralausblühungen gibt, bleibt zukünftigen Untersuchungen vorbehalten. Um das Einsatzverhalten des UHPC unter Belastungen und Einflüssen, wie sie im Werkzeugmaschinenbau auftreten, zu analysieren, wurden Untersuchungen zum Quellen/Schwinden und zur statischen Steifigkeit an Betonproben durchgeführt. Dafür wurde ein Prüfstand aufgebaut, bei dem 12 Proben gleichzeitig untersucht werden konnten. Die Einwirkung des Betriebsstoffes wurde mit einer über der Probe montierten Prüfzelle realisiert. Damit konnte der zeitliche Aufwand für die langwierigen Einlagerungsversuche reduziert werden. Als Betriebsstoff wurde ein wassergemischter Kühlschmierstoff gewählt, welcher die maximale Belastung mit Feuchtigkeit und unterschiedlichen chemischen Stoffen für den Werkstoff bedeutet. Weitere Betriebsmedien waren aus Zeitgründen nicht möglich. Die Ergebnisse, die sich aus den mit dem aufgebauten Prüfstand entwickelten Prüfmethoden ergeben haben, zeigen in der vorliegenden Form keinen signifikanten Einfluss des Betriebsmediums auf die Eigenschaften des Werkstoffs. Dies trifft sowohl für die Untersuchungen zur statischen Steifigkeit als auch zum Quellen/Schwinden des Werkstoffs zu. Ob hier die Prüfmethodik oder andere äußere Einflüsse eine Analyse der möglichen entstehenden Effekte verhindern, kann nicht abschließend geklärt werden. Als negatives Ergebnis dieser Untersuchungen muss der sehr starke Befall der Werkstoffproben mit Mikroorganismen, im vorliegenden Fall mit schwarzen Schimmel, aufgrund des Kontakts mit dem Kühlschmierstoff gesehen werden. Damit ist die Eignung von UHPC in der hier untersuchten Form, aufgrund der Porosität in der Oberflächenstruktur, als Gestellwerkstoff kritisch zu sehen. Die Problematik der mikrobiellen Belastung von Kühlschmierstoffen ist im Werkzeugmaschinenbau ein bekanntes Problem. Wenn jedoch aufgrund des Eindringens des Kühlschmierstoffs in die Oberfläche ein idealer Nährboden für Mikroorganismen entsteht und dann noch die passenden klimatischen Umweltbedingungen hinzukommen, stellt das die Einsatzmöglichkeit des Werkstoff generell in Frage. Hier kann nur eine Versiegelung oder Beschichtung der Oberfläche Abhilfe schaffen, bedeutet aber gleichzeitig einen Mehraufwand bei der Herstellung der Gestelle und eine schlechtere Recyclingfähigkeit. Dieser negative Aspekt schmälert die bereits erläuterten positiven Eigenschaften für den Einsatz in Werkzeugmaschinengestellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hochleistungsbeton für Werkzeugmaschinengestelle. In: wt Werkstattstechnik online 109 (2019) 1/2, S. 1-8
Albrecht, D.; Stehle, T.; Möhring, H.-C.
