Entwicklung einer anforderungsgerechten Welle-Nabe-Verbindung mit Nabe aus Metall/Keramik-Verbundwerkstoff

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hansgeorg Binz; Professor Dr. Siegfried Schmauder
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397981067

Mit den steigenden Erwartungen an die Produkte des Maschinenbaus steigen auch die Anforderungen an die dabei verwendeten Materialien. Neben der Weiterentwicklung unterschiedlicher Stahlsorten werden deshalb zunehmend neue Werkstoffgruppen dafür in Betracht gezogen. Gerade im Bereich der Metall/Keramik-Verbundwerkstoffe wurden in den vergangenen Jahren große Fortschritte erzielt. Sie vereinen die großen Vorteile von Metall und Keramik. So sind sie im Vergleich zu reinen Metallen viel härter und verschleißbeständiger, dabei aber dennoch nicht so spröde wie reine Keramik, sondern teilweise duktil. Weiterhin sind sie verglichen mit keramischen Werkstoffen relativ gut zerspanbar. Ihre Dichte und damit Massenträgheit ist in der Regel geringer als die von Stahl. Aufgrund ihrer Vorteile sind zukünftig Anwendungen im Bereich von rotierenden Bauteilen wie Turboladern und Turbinenlaufrädern, abrasionsbeanspruchten Mahl- und Förderrädern oder als Verschleißschutzkomponenten denkbar. Doch es mangelt an der Erforschung geeigneter Welle-Nabe-Verbindungen zur Anbindung an vorhandene Stahlstrukturen. Mit Kenntnis des Versagens-verhaltens und materialspezifischer Gestaltungsrichtlinien ist der Einsatz von Aluminium-druckinfiltrierten porösen Aluminiumoxid-Keramiken als Nabenwerkstoff in leistungsfähigen, wirt-schaftlichen und ausfallsicheren Welle-Nabe-Verbindungen möglich. Im Rahmen dieses Projekts wird zum einen das Schädigungsverhalten von der theoretisch-simulativen Seite betrachtet. Die Erstellung von Simulationsmodellen des Verbundwerkstoffs, die den Werkstoff zuverlässig abbilden, ermöglicht es, die gesamte Welle-Nabe-Verbindung zu model-lieren und die Grenze der zulässigen Belastung auszuloten. Für realitätsnahe Simulationen erfolgt in jedem Abschnitt ein experimenteller Abgleich. Zum anderen wird parallel zur Werkstoffuntersuchung für die konstruktiv-experimentelle Auslegung ein Pressverband für den Verbundwerkstoff modifiziert. Dieser wird durch die geschickte Einbringung von Formschlusskomponenten und damit eine kombinierte reib- und formschlüssige Kraftübertragung erweitert, um eine Erhöhung des übertragbaren Moments zu realisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen