Direkt abgeformte Betonbauteile für Präzisionsanwendungen im Maschinen- und Gerätebau

Präzisionssysteme können durch die Verwendung von Werkstoffen mit dem gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten thermisch stabil realisiert werden. Häufig wird Naturstein für Präzisionsanwendungen verwendet, da dieser sehr fein bearbeitet werden kann, thermisch sowie mechanisch langzeitstabil und korrosionsbeständig ist. Die Gestaltungmöglichkeiten sind jedoch durch die kostspielige und zeitaufwendige Bearbeitung stark eingeschränkt.

Ein vielversprechender Ansatz zur Herstellung von Präzisionsbauteilen für die gesamte Maschinenstruktur ist die Verwendung von speziellen selbstverdichtenden Betonen (SCC=Self Compacting Concrete). Mit Beton als Alternativmaterial können vergleichbare mechanische Eigenschaften erzielt und wesentliche Gestaltmerkmale urformend hergestellt werden. Durch die niedrigen Materialkosten amortisieren sich die Werkzeugkosten schon bei kleinen Losgrößen.

Teile aus SCC weisen im Herstellungsprozess ein zeit- und klimaabhängiges Schrumpfen und Quellen auf, womit Änderungen in der Bauteilgestalt verbunden sind. Allerdings konnte die Stabilisierungszeit beim Aushärteprozess deutlich verkürzt werden. In einer Langzeitstudie über fast zehn Jahre wurde eine mit Naturstein vergleichbare Formstabilität belegt. Darüber hinaus wurde eine Simulationsmethode entwickelt, um die Formänderung komplexer Geometrien vorherzusagen. Mit diesem Werkzeug kann eine Schalungsgeometrie entwickelt werden, die zu einem Fertigteil führt, welches annähernd der idealen Geometrie entspricht.

SCC kann auch als alternatives Material für Teile mit hoher spezifischer Steifigkeit in beweglichen Maschinenstrukturen eingesetzt werden. Um eine mit Stahl- oder Aluminiumleichtbauteilen vergleichbare Zuverlässigkeit zu gewährleisten, muss die Betriebsfestigkeit verbessert werden. Der Einsatz von Stahl– oder Kohlefasern als Bewehrung ist nicht sinnvoll, da diese zu inhomogenem thermischen Verhalten führen.

Alternativ kann eine Armierung durch die Aufbringung von organo–funktionellen Beschichtungen mit erhöhter Zugfestigkeit erfolgen. Die Wirkungsmechanismen und Zusammenhänge mit der Dauerfestigkeit wurden analysiert, um eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Beschichtungseinflusses zu entwickeln. Abschließend erfolgt die Übertragung der Ergebnisse auf ein Verfahren zur Vorhersage der Betriebsfestigkeitssteigerung von beschichteten Betonbauteilen mit beliebiger Geometrie.

The development of thermally balanced precision systems while avoiding complex compensation structures can be achieved by using materials with equal coefficients of thermal expansion. Commonly, Natural stone is used for high–precision applications, because of its thermal and mechanical long-term stability, corrosion resistance and good machinability.

By the reason of the expensive and time–consuming machining process, there are limitations in the complexity for the design of machine parts. Concrete is a promising material for the whole machine structure. The production of parts with comparable mechanical properties to natural stone a molded design features is possible by means of special Self Compacting Concrete (SCC) as an alternative material. Due to the low material costs the cost of the tools amortizes even for small lot sizes.

Parts made of SCC show time– and climate–dependent shrinkage and swelling during the process, so that the shape of the part changes over time. However, it was possible to significantly shorten the time to stabilization during the curing process. In a long–term study over more than five years, a shape stability comparable to natural stone was substantiated. Furthermore, a simulation method was developed to predict the shape change of complex geometries at curing. With this tool, the deformation can be taken into account during tool development in order to achieve a formwork geometry that leads to a shape that is very close to the ideal geometry.

SCC can also be used as an alternative material for parts with a high specific stiffness in moving machine structures. To guarantee reliability comparable to steel or aluminum lightweight parts, the endurance strength of the concrete parts has to be improved. Reinforcement by implementation of steel or carbon fibers is not useful since it comes with thermal inhomogeneity.

Alternatively, reinforcement can also be derived by the application of a tailor made organo–functional coatings with enhanced tensile strength. The fundamental effect mechanisms and the coherences to the endurance strength were analyzed to develop an experimental method for the verification of the influence of coatings. The transfer of the experimental results to a method for the prediction of the endurance strength enhancement of coated concrete parts with arbitrary geometry has been validated and is ready to use.