Zur Eignung von Ultrahochleistungsbeton (UHPC) als Zahnradwerkstoff

Zementgebundener Beton wird hauptsächlich im Bauwesen verwendet. Seine für die Herstellung, die Bemessung und den Einbau relevanten Kennwerte sind in Normen und Richtlinien verankert. Die fortschreitende Entwicklung in der Betontechnologie und die damit einhergehenden verbesserten Materialeigenschaften ermöglichen es, ultrahochfeste Betone (UHPC, engl. Ultra High Performance Concrete) herzustellen. Diese Betone zeichnen sich neben der hohen Festigkeit (Betonfestigkeitsklasse > C100/115) auch durch ihr dichtes Gefüge aus, woraus ebenfalls hervorragende Dauerhaftigkeitseigenschaften resultieren.

UHPC ist somit nur bedingt mit dem genormten Normalbeton und Hochleistungsbeton (Betonfestigkeitsklasse ≤ C100/115), wie er im Bauwesen Verwendung findet, vergleichbar. Die höheren Druck- und Zugfestigkeiten sowie Dauerhaftigkeitseigenschaften ermöglichen die Erschließung neuer Anwendungsgebiete, beispielsweise im Maschinenbau. Hier wird Beton bereits im Werkzeugmaschinenbau für Maschinenbetten oder ‑gestelle eingesetzt und stellt somit eine Alternative zu Grauguss- oder Stahlkonstruktionen dar. Der Fokus im Maschinenbau liegt hierbei nicht wie im Bauwesen auf den Werkstofffestigkeiten, sondern auf der Steifigkeit, der Maßhaltigkeit und dem Dämpfungsverhalten der Konstruktion.

Aus den sehr guten Werkstoffeigenschaften (Festigkeit, Dauerhaftigkeit, etc.) von UHPC kann abgeleitet werden, dass sich dieser auch für weitere Maschinenbauanwendungen nutzen lässt. Am Beispiel des Zahnrades wird in dieser Arbeit untersucht, ob sich UHPC auch für komplex belastete Maschinenbauteile eignet und ggf. etablierte Werkstoffe wie Stahl oder Kunststoff ersetzen kann.

Hierzu wurde zunächst ein Anforderungsprofil für Beton als Zahnradwerkstoff erstellt. Anhand von Voruntersuchungen an feinkörnigem UHPC (≙ RPC, engl. Reactive Powder Concrete) wurden grundlegende Fragestellungen zum Einfluss unterschiedlicher betontechnologischer Optimierungsprozesse behandelt. Dabei wurde beispielsweise der Einfluss von Fasern und einer thermischen Behandlung auf die Betoneigenschaften analysiert. Im Anschluss erfolgte die Entwicklung einer für die Zahnradherstellung geeigneten Mischungszusammensetzung. Bei den UHPCs handelt es sich um einen RPC und zwei HPSICCs (engl. High Performance Silicon Carbid Concrete), an denen relevante Materialparameter bestimmt wurden. Abschließend wurde ein geeignetes Konzept für die Betonzahnradherstellung entwickelt, numerische Tragfähigkeitsuntersuchungen an einem Betonzahnrad durchgeführt und die Realisierbarkeit von Betonzahnrädern anhand eines Demonstrators gezeigt. Insgesamt konnte anhand der drei entwickelten Spezial-UHPCs die Eignung von UHPC als Zahnradwerkstoff nachgewiesen werden.

Cement-based concrete is mainly used in the construction industry. Its characteristic values relevant for production, dimensioning and installation are anchored in standards and guidelines. The ongoing development in concrete technology and the resulting improved material properties make it possible to produce Ultra High Performance Concrete (UHPC). In addition to their high strength (concrete strength class > C100/115), these concretes are also characterized by their dense structure, which also results in excellent durability properties.

UHPC is therefore only to a limited extent comparable with the standardized normal and high-performance concrete (concrete strength class ≤ C100/115) used in the construction industry. The higher compressive and tensile strengths as well as durability properties enable the development of new areas of application, for example in mechanical engineering. Here, concrete is already used in machine tool construction for machine beds or frames and thus represents an alternative to cast iron or steel constructions. The focus in mechanical engineering is not, as in the building industry, on material strength, but on the stiffness, dimensional stability and damping behavior of the construction.

From the very good material properties (strength, durability, etc.) of UHPC it can be deduced that it can also be used for other mechanical engineering applications. Using the example of the gear wheel, this thesis examines whether UHPC is also suitable for machine components subjected to complex loads and, if necessary, can replace established materials such as steel or plastic.

For this purpose, a requirement profile for concrete as a gear material was first created. By means of preliminary investigations on fine-grained UHPC (≙ RPC, Reactive Powder Concrete) fundamental questions concerning the influence of different concrete technological optimization processes were investigated. For example, the influence of fibers and thermal treatment on the concrete properties were analyzed. This was followed by the development of a mix composition suitable for gear production. The UHPCs are one RPC and two HPSICCs (High Performance Silicon Carbide Concrete), on which relevant material parameters were determined. Finally, a suitable concept for the production of concrete gears was developed, numerical load-bearing capacity investigations were carried out on a concrete gear and the feasibility of concrete gears was shown by a demonstrator. To sum up, the suitability of UHPC as a gear material could be demonstrated by means of the three developed special UHPCs.

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