Zahnräder und Wälzlager aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC)

Aufgrund der hohen Anforderungen an Zahnräder und Wälzlager eignen sich nur entsprechend leistungsfähige Materialien für deren Herstellung. Als Werkstoff hat sich Stahl etabliert, der jedoch Nachteile wie beispielsweise eine große Korrosionsneigung, eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen und eine hohe Dichte von 7,85 g/cm³ aufweist. Am Institut für Massivbau (IfM) soll innerhalb eines von der VolkswagenStiftung geförderten Forschungsprojekts untersucht werden, ob sich Ultrahochleistungsbeton (UHPC) als Zahnrad- oder Wälzlagerwerkstoff eignet und ggf. optimieren lässt. Aufgrund der filigranen Formen von Zahnrädern und Wälzlagern wird der Fokus der Untersuchungen auf den Reactive Powder Concrete (RPC) gelegt, der sich durch ein Größtkorn < 0,5 mm und Druckfestigkeiten über 150 N/mm² auszeichnet. Die Dichten der untersuchten RPCs liegen zwischen 2,2 und 2,7 g/cm³ und sind somit um ca. 66 bis 72 % geringer als die von Stahl. Weiterhin ist der RPC elektrisch nicht leitend und weist eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Die Herstellung von Zahnrädern und Kugellagern aus Beton wurde bislang nicht näher untersucht, die Verwendung alternativer Werkstoffe zu Stahl beschränkte sich bisher auf Kunststoffe und verhältnismäßig teure keramische Werkstoffe. Mit den Untersuchungen zur Eignung von UHPC als Zahnrad- oder Wälzlagerwerkstoff wird absolutes Neuland in der Entwicklung von Hochleistungsmaterialien betreten.

Die Untersuchungen am Institut für Massivbau umfassen beispielsweise die Entwicklungen geeigneter Betonrezepturen sowie eines Fertigungskonzepts für die Betonzahnräder und -wälzlager. Zusätzlich werden Finite-Elemente-Simulationen eines Stirnradpaares aus UHPC durchgeführt, die durch Versuche an einem eigens entwickelten Demonstrator sowie einem Versuchsprüfstand für Stirnradpaare validiert werden.

Profilschwerpunkt 1: Tailored Materials