Einsatz von Zementbeton als eigenständiger Werkstoff und als Verbundwerkstoff im Werkzeugmaschinenbau

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher; Professor Dr.-Ing. Michael Raupach
• Fachliche Zuordnung: Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236443356

Strukturbauteile von Werkzeugmaschinen (z. B. Betten, Ständer und Kreuzschlitten) werden häufig aus Stahl oder Eisenguss gefertigt. Diese Werkstoffe weisen gute bis sehr gute Festigkeitswerte auf. Aufgrund des Rohstoffmangels zu Anfang des letzten Jahrhunderts wurde erstmalig versucht, Stahl durch (Stahl-) Beton zu substituieren. Erhöhte Materialanforderungen führten zu Beginn der 1970er Jahre zu einer Entwicklung neuartiger Substitutionswerkstoffe, wobei sich Polymerbetone gegen Zementbetone im Werkzeugmaschinenbau durchgesetzt haben. Heute wird aufgrund der geringen Kosten, der guten Dämpfungseigenschaften und der geringen Dichte zunehmend der Einsatz von Zementbetonen angestrebt. Eine Weiterentwicklung des klassischen Zementbetons stellt der ultrahochfeste Beton (UHPC) dar. Im Vergleich zu Stahl weist aber auch UHPC eine deutlich geringere Zugfestigkeit auf, die durch anforderungsgerechte Konstruktionen berücksichtigt werden muss. Erste Versuche wurden mit Ultrahochfestem Beton im Maschinen- und Anlagenbau unternommen, eine Marktdurchdringung ist jedoch auch aufgrund fehlender Grundlagenuntersuchungen aktuell nicht zu verzeichnen. Das Ziel des gesamten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten von Zementbeton im Werkzeugmaschinenbau als eigenständiger Werkstoff und als Verbundwerkstoff, um seine hervorragenden wirtschaftlichen und mechanischen Eigenschaften trotz seiner auch vorhandenen Schwächen zu nutzen. Dabei sollen Zusammenhänge zwischen dem Werkstoff und Anforderungskriterien sowie zwischen Maschinenbauteilen und Anforderungskriterien erarbeitet werden, auf deren Basis eine Erstellung von Richtlinien zur Gestaltung leistungsstarker Beton-Bauteilen für den Werkzeugmaschinenbau erfolgen könnte.Innerhalb der ersten Förderperiode wurden erste wissenschaftliche Grundlagen für einen gezielten Einsatz von Zementbetonen im Werkzeugmaschinenbau geschaffen. Neben der Anforderungsidentifikation wurden Werkstoffuntersuchungen hinsichtlich der Feststoffeigenschaften und der dynamischen Dauerfestigkeit durchgeführt. Auch Koppelstellen mit Zugankern wurden intensiv auf ihr Festigkeitsverhalten hin untersucht. Es wurde eine leistungsfähige Baugruppe aus Zementbeton, bestehend aus Bett und Fahrständer, aufgebaut und mit einer Stahlschweißkonstruktion verglichen. Die Ergebnisse sind so vielversprechend, dass im Rahmen einer zweiten Förderperiode eine vertiefende Untersuchung der Baugruppe und der betontechnologischen Optimierungsmöglichkeiten zur anforderungsgerechten Ausgestaltung von Zementbeton-Gestellbauteilen für Werkzeugmaschinen angestrebt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen