Berechnungstool für zuverlässige Keramikfedern

15.07.2022

© Fraunhofer IWM
Abbildung 1: Hochtemperaturprüfung von Modellproben, Tellerfedern und Schraubendruckfedern (bis 1.000 °C) zur zyklischen Festigkeitsprüfung bei überlagerter thermischer und mechanischer Belastung.

Was wahrscheinlich jeder erstmal nicht vermutet: Bei einer keramikgerechten Auslegung erreichen Keramikfedern trotz ihrer scheinbaren Sprödigkeit nahezu gleiche Federwege und -kräfte wie Federn aus Stahl. Die bestehende Herausforderung ist dabei allerdings, die Zuverlässigkeit der Federn, angepasst an die Keramik, die Herstellung und die Anwendung zu maximieren. Anwender benötigen ein Tool, das ihnen die Möglichkeit bietet, Parameter zu variieren und eine Lebensdauer- oder Zuverlässigkeitsprognose mitliefert.

In diesem Tool für z. B. Tellerfedern wird der jeweilige Kenntnisstand über das Versagensverhalten der Keramik digital berücksichtigt . Präzise Vorrausagen gelingen hierbei nur mittels entsprechender experimenteller Untersuchungen an Werkstoffen und Bauteilen.

Diese Arbeiten wurden mit den kooperierenden Kollegen des Fraunhofer IKTS im Rahmen einer bundesfinanzierten Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF Vorhaben Nr. 19125 BG) mit Firmen aus den Branchen Keramikherstellung und Federn geleistet. Möglich sind nun Federn aus Hochleistungskeramiken wie Siliziumnitrid oder Zirkoniumoxid-Aluminiumoxid Mischkeramik. Diese haben im Vergleich zu herkömmlichen Stahlfedern den Vorteil, dass sie in korrosiver Umgebung oder auch bei 1.000 °C einsetzbar sind. Das Gewicht von Federn aus Siliziumnitrid ist geringer als die Hälfte des Gewichts von Stahlfedern. Zudem sind diese Keramiken elektrisch nichtleitend und können als Isolator störungsfrei in Anwendungen mit elektrischen und magnetischen Feldern eingesetzt werden.

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