Use of cement concrete as a homogenous material and as a composite material in the machine tool design
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Kooperationsprojektes wurde der Einsatz von Zementbeton im Werkzeugmaschinenbau als eigenständiger Werkstoff und als Verbundwerkstoff untersucht. 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. In der zweiten Förderperiode lag der Fokus auf der Validierung der wissenschaftlichen Grundlagen insbesondere im Bereich des Ermüdungswiderstands, des Zugtragverhaltens und der Koppelstellenausbildung. Darüber hinaus wurden weitere Maschinenbauteile konstruiert, hergestellt und untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass insbesondere der Einsatz von mikrostahlfaserverstärktem UHPC grundsätzlich für den Werkzeugmaschinenbau geeignet ist. Durch die Stahlfasern kann der Entstehung von Rissen entgegengewirkt werden. Zusätzlich verstärken die Stahlfasern den Verbund zwischen Beton und Koppelstelle, wodurch die Kraftübertragung zwischen Beton und Werkzeugmaschine verbessert wird. Im Rahmen der Ermüdungsuntersuchungen im Wechselbereich konnte gezeigt werden, dass UHPC bei einer Belastung von ca. 40 % der zentrischen Zugfestigkeit mit 100 Mio. Lastwechseln beaufschlagt werden kann. Es gilt jedoch aufgrund natürlicher Streuungen der Materialeigenschaften einen ausreichenden Sicherheitsfaktor bei der Auslegung auf dynamische Belastungen zu berücksichtigen. Bezüglich der Nachbehandlung konnte gezeigt werden, dass besonders die Autoklavierung einen positiven Einfluss auf die Maßhaltigkeit als auch auf die Erhöhung der Zugfestigkeit hat. Im Hinblick auf die Konstruktion von Betonbauteilen in Werkzeugmaschinen haben sich im Verlauf des Projektes bislang bekannte empirische Konstruktionsregeln für Betonbauteile als ausreichend erwiesen, um verwendbare Bauteile aus Zementbeton herzustellen. Zudem konnte bestätigt werden, dass Maschinenbauteile aus Zementbeton das dynamische Verhalten am TCP positiv beeinflussen können.
Publications
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Einsatz von Zementbeton in Werkzeugmaschinen. Entwicklung eines Resonanzprüfstands für hochfrequente Wechsellastuntersuchungen. In: wt Werkstattstechnik online. 105. Jg., 2015, Nr. 5, S. 269–274
Brecher, C.; Schmidt, S.; Jasper, D.; Neunzig, C.; Schulléri, R.; Fey, M.
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Zementgebundener Beton unter hochdynamischer Beanspruchung im Werkzeugmaschinenbau. In: Ludwig, H.-M. (Hrsg.): Tagungsband 19. Internationale Baustofftagung, Weimar, 16.-18. September 2015. (Bd. 1). Weimar: F.A. Finger Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, 2015, S. 1157–1164
Neunzig, C.; Schmidt, S.; Jasper, D.; Schulléri, R.; Brameshuber, W.; Brecher, C.
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Methodik zur Ermittlung der Schraubenzusatzkräfte von Schraubenverbindungen. In: Konstruktion. 68. Jg., 2016, Nr. 6, S. 78–82
Brecher, C.; Jasper, D.; Schmidt, S.; Fey, M.
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Concrete under high dynamic loads for mechanical engineering. International Conference on Advances in Construction Materials and Systems (ICACMS-2017), Chennai, India, 3. – 8. September 2017
Neunzig, C.; Schmidt, S.; Jasper, D.; Brameshuber, W.; Brecher, C.
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Determination of the axial tensile strength of concrete with an alternative test set-up, 4th International Conference on Strain-Hardening Cement-Based Composites (SHCC 4), Technical University of Dresden (TUDIAS) 18. - 20. September 2017
Neunzig, C.; Heiermann, T.
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Hochfrequente Wechselastuntersuchungen an Zugankern für WZM-Koppelstellen, in: MM Maschinenmarkt, 2017
Brecher, C.; Schmidt, S.; Jasper, D.; Neunzig, C.; Fey, M.
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Statische und dynamische Koppelstellenkräfte in Werkzeugmaschinen zur Auslegung von Beton-Gestellbauteilen. In: Konstruktion. 69. Jg., 2017
Brecher, C.; Jasper, D.; Schmidt, S.; Neunzig, C.; Fey, M.
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Untersuchung der Dauerschwingfestigkeit von Zementbetonen unter hochfrequenter Wechsellast für den Einsatz in Werkzeugmaschinen. In: VDI-Z. 69. Jg., 2017
Brecher, C.; Schmidt, S.; Jasper, D.; Neunzig, C.; Fey, M.
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Einfluss betontechnologischer Steuerungsgrößen auf das Pull-Out-Verhalten von Betonhülsen - Grenzen des technisch Möglichen. Aachen: Institut für Bauforschung, 2018. - In: 70 Jahre ibac und 54. Aachener Baustofftag, Aachen, 15. und 16. November 2018, 15 Seiten
Kalthoff, M.; Raupach, M.
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Einfluss der Prüfkörpergeometrie auf das Zugtragverhalten von zementgebundenen Betonen, Tagungsbericht / Ibausil, 20. Internationale Baustofftagung, 12. - 14. September 2018, Weimar, Bundesrepublik Deutschland / F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, - Tagungsband 1, Seiten/Artikel-Nr: 1- 1115-1-112
Kalthoff, M.; Gilleßen, F.; Raupach, M.; Schmidt, S; Kiesewetter-Marko, C.; Brecher, C.
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Einfluss von Strukturkomponenten aus Zementbeton – Untersuchung einer Demonstratormaschine (DemoBAZ) aus Zementbeton. In: wt Werkstattstechnik online. 108. Jg., 2018, Nr. 3, S. 191-196
Brecher, C.; Kiesewetter-Marko, C.; Schmidt, S.; Epple, A.
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Untersuchung des Einsatzes von Zementbeton für Strukturbauteile in Werkzeugmaschinen. In: Werkstoffe in der Fertigung 55 (2018), Nr. 4, S. 27-29
Brecher, C.; Kiesewetter-Marko, C.; Schmidt, S.; Kalthoff, M.; Fey, M.
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Zementgebundener Beton für Werkzeugmaschinengestelle = Cement-based concrete for machine tool frames, Dissertation, RWTH Aachen University, 2018
Neunzig, C.
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Pull-Out Behaviour of Threaded Anchors in Fibre Reinforced Ordinary Concrete and UHPC for Machine Tool Constructions. In: Journal of Building Engineering 33 2020
Kalthoff, M.; Raupach, M.
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Einsatz von Zementbeton für den Ständer einer Werkzeugmaschine. In: Werkstoffe in der Fertigung 58 (2021), Nr. 4, S. 28-30
Brecher, C.; Kiesewetter-Marko, C.; Neus, S.
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Influence of High Temperature Curing and Surface Humidity on the Tensile Strength of UHPC. Materials. 2021; 14(15):4260
Kalthoff M, Raupach M, Matschei T
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Einsatz von Zementbeton als eigenständiger Werkstoff und als Verbundwerkstoff im Werkzeugmaschinenbau
Brecher, C.; Kiesewetter-Marko, C.; Kalthoff, M.; Fey, M.
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Vibration Tests for Cement Concrete for Machine Tools. In: Journal of Vibration Engineering 2022
Brecher, C.; Kiesewetter-Marko, C.; Kalthoff, M.; Neus, S.
