Development of a shaft-hub-connection with a hub made of metal/ceramic-composite that meets defined requirements
Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
Final Report Abstract
n den vorausgehenden DFG-Projekten konnte bereits gezeigt werden, dass es möglich ist, zylindrische Pressverbindungen mit keramischen Naben und konventionellen Wellen aus Stahl auszulegen. Beide Projekte haben durch Hilfsmittel der Finite-Elemente-Methode Auslegungsverfahren entwickelt, die es erlauben, den Spannungszustand in der Nabe so anzupassen, dass die versagenskritische Zugumfangsspannung derart optimiert werden kann, dass technisch relevante Drehmomente ohne ein Versagen der Verbindung übertragen werden können. Die Projekte offenbarten, dass initiale Beschädigungen der keramischen Nabe zum unkontrollierten und spontanen Versagen der Nabe führen können. Zudem ist die Homogenisierung des Fugendrucks in der Nabe durch eine Konturierung der Wellengeometrie nicht für eine breite Anwendergruppe anwendbar, da die zu erstellende Kontur gängige Bearbeitungsmaschinen an die Grenze der Bearbeitungsgenauigkeit bringt. Dieses Projekt hatte zum Ziel, keramische hybride Pressverbände durch den Einsatz von Metall- /Keramik-Verbundwerkstoffen weiter zu optimieren. Hierdurch sollten die positiven Eigenschaften von Aluminium mit den positiven Eigenschaften der Keramik verbunden werden. Dafür wurde initial eine geeignete Probengeometrie ermittelt, welche sowohl den Anforderungen des Fertigungsverfahrens als auch den Gegebenheiten an den vorhandenen Prüfeinrichtungen genügt. Anschließend wurde die Herstellung der Nabenkörper näher untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Herstellung keramischer Vorkörper noch nicht sicher technisch beherrscht wird. Durch CT-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die meisten Preforms bereits vor der Infiltration Anrisse aufwiesen. Weiterhin wurde ermittelt, dass die Gasdruckinfiltration ein hochkomplexes Verfahren ist, welches zunächst speziell auf die vorhandenen Werkstoffe und Geometrien angepasst werden muss. Trotz intensiver Bemühungen gelang es mit den vorliegenden Materialien und mehreren Monaten der Prozessoptimierung nicht, eine durchweg gleichmäßige Infiltration zu erreichen. Das Verfahren konnte jedoch derart optimiert werden, dass die unzureichend infiltrierten Bereiche der Nabe auf eine Stirnseite verlagert werden konnten. Diese Seite wurde für die Einspannung der Nabe im Prüfstand genutzt und beeinflusste dadurch den Pressverband nicht. Bedingt durch die Fehlversuche bei der Preformherstellung und Gasdruckinfiltration musste die Probenzahl deutlich angepasst werden, da mehrere Proben bei der Herstellung zerbrochen sind. Durch die Herstellung von Zug- und Biegeproben ergab sich jedoch die Möglichkeit, das Materialverhalten des Metall-/Keramik-Verbundwerkstoffs zu erforschen. Es wurde festgestellt, dass das vorliegende Material ein nicht-lineares Spannungs-Dehnungsverhalten aufweist, welches in den numerischen Simulationen berücksichtigt werden musste. Die Anwendung der bestehenden Ansätze zur Spannungsoptimierung aus vorausgehenden Projekten waren nach der Implementierung des nicht-linearen Materialmodells nicht mehr anwendbar. Im Rahmen des Forschungsprojekts konnte das Vorgehen jedoch so erweitert werden, dass nun auch nicht-lineare hybride Pressverbände spannungsoptimiert werden können. Die experimentelle Validierung des Ansatzes konnte aufgrund der begrenzten Probenanzahl nicht vollständig durchgeführt werden. Bei der Untersuchung formschlüssiger Proben kamen H-Profile mit drei Mitnehmern in Anlehnung an DIN 3689-1 zum Einsatz. Diese wurden in quasistatischen Versuchen bis zum Versagen belastet. Die Ergebnisse der Stichprobe zeigen um 18% niedrigere Versagensmomente als beim Durchrutschen des Pressverbands und bestätigten die Annahme, dass in den Proben der Rissfortschritt durch den Aluminiumanteil gestoppt werden kann. Im Rahmen dieses Projekts wurde ferner eine Methode etabliert, die die maßgeschneiderte Entwicklung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen mit Durchdringungsgefüge hinsichtlich mikrostrukturellem Aufbau und Zusammensetzung stark beschleunigen kann, was den Einsatz solcher Verbundwerkstoffe auch im rapid prototyping ermöglicht.
Publications
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Fugendruckhomogenisierte Auslegung von Pressverbänden mit keramischen Verbundwerkstoffen. In: VDI Wissensforum GmbH (Hrsg.): 9. VDI-Fachtagung Welle-Nabe-Verbindungen. Stuttgart, 2020
Dausch, V.; Wagner, M.; Binz, H.
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An AI-Based Approach to Optimize Stress in Shrink Fits. Proceedings of the Design Society, 2, 1549-1558.
Dausch, V.; Kröger, J. & Kreimeyer, M.
