Entwurf mit Neuen Werkstoffen

Heiße Strukturen hergestellt aus keramischen Verbundwerkstoffen mit endlosen Fibern in SiC Matrix erfordern eine adäquate Methode der Verbindung. Zu diesem Zweck wurde eine spezielle Schraubenkonstruktion aus laminiertem KMV(Keramik-Matrix-Verbund)-Werkstoff entwickelt. Die entsprechende patentierte Lösung ist ein Beispiel des zweckmäßigen auf der system engineering basierten Konstruktionsansatzes.

 

Das Problem dieser Verbindung mit Hilfe von konventionellen monolithischen Keramiken zu lösen, war von Anfang an weniger versprechend. Diese Art keramischer Materialien reagiert äußerst empfindlich auf Spannungskonzentration und sehr kleine Fehler. Die meisten dieser Fehler können dagegen von den KMV-Materialien überwunden werden. Die aktuellen KMV-Werkstoffe, zum Beispiel, haben Zugfestigkeitskapazität von 300 MPa mit einer Bruchdehnung bis 1 % und ihr Verhalten unter der Belastung ist nicht-lineart. Dadurch sind sie im Stande die negative Wirkung der Spannungskonzentration im Bauteil zu verkraften. Allerdings ist das konventionelle Entwurfsverfahren um die Befestigungselemente aus KMV zu bekommen nicht Erfolg versprechend. Das Einstellen der Faserschichten in die für die Tragfähigkeit der Befestigung günstige Position ist, infolge kleiner Dimensionen sehr beschränkt. Deshalb war für eine angemessene Lösung des Problems eine völlig neue Entwurfverfahrensweise notwendig. Die Hauptstrategie der Lösung ist auf einem optimalen Gebrauch der Vorteile laminierter KMV-Strukturen begründet, während die typischen Schwächen weitestgehend ausgeschaltet werden sollen.

Schraube

Zu diesem Zweck wird die Schraube aus einer laminierten KMV-Werkstoffplatte geschnitten deren Dicke geringfügig unter dem Kerndurchmesser des Gewindeteiles liegt. Auf diese Weise werden die kontinuierlich geschnittenen Gewinde (5) an den beiden Seiten, wo die Verbindung von Gewinde zum Schaft auf die Matrix reduziert und folglich von einer erheblich reduzierten Festigkeit wäre, unterbrochen. Durch diese Lösung ist dieser viel schwachere Teil des Materials für die Gewinde entfernt.

 

Die Gewindeteile sind mit dem Schaft durch die laminierte Struktur, die mit den zusätzlichen 45° Schichten (3') verstärkt wird, direkt verbunden. Deshalb wurde für den Gewindeprofil auch den Flankenwinkel von 90° (4) ausgewählt. Die Faserlaminate nehmen auf diese Weise die Position parallel zu den Gewindeflanken ein, womit auch ihre Tragfähigkeit maximal ausgenutzt wird. Diese Lösung, trägt bedeutend zu der verbesserten Tragfähigkeit des Gewindeteil der Verbindung bei.

Analyse der Verbindung 

Vor der Herstellung wurden Form und Maße der Befestigungsteile numerisch optimiert. Die numerische Entwurfsoptimierung ist ein sehr wichtiger Schritt um die höchsten Eigenschaften der Verbindung zu erreichen.

Mutter
Die Mutter dieser Verbindung, geschnitten aus der gleichen Platte mit laminierten Schichten parallel zu der Berührungsfläche hat durchgehende Gewinde

ERGEBNISSE DER VERSUCHE

Nach erfolgreicher Herstellung der Befestigungsteile, sind verschiedene Prüfungen durchgeführt worden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle angezeigt.

 

Die Probestücke nach dem Bruch zeigen die Versagensart (Bruch auf dem ersten tragenden Gewindegang), die für einen gesunden ausbalancierten Entwurf einer Schraubenverbindung typisch ist.

 

PARAMETER

BESCHREIBUNG

DATEN/ERGEBNISSE

Material:

KMV (C/SiC Gradient-CVI-Produktion)

MAN-Technologie AG

Befestigungsgeometrie:

Durchmesser und Steigung

8 x 2 mm 

Testbedingungen:

Zugversuch bei Raumtemperatur

1 MPa/s.

 

Schraube belastet über Mutter

 

Erreichte Eigenschaften:

Mindestfestigkeit des Gewindeteiles der Schraube

230 MPa

 

Typische Schubfestigkeit des Gewindeprofils

140 MPa

Versagensart:

Bruch an erstem tragenden Gewindegang

Belastete Gewinde ohne Verzerrung (leichte Zerlegung nach dem Bruch)

Zyklischen Schubversuch: 

Bei 70% der statischen Festigkeit

20000 Lastspiele ohne Versagen

Testen innerhalb der Struktur (160 Schrauben)

Thermische Wechsel- und statische Belastung

Ohne Bruch bei 1600°C

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die entwickelte KMV-Befestigung dem Strukturingenieur für einen leistungsfähigen und zuverlässigen Gebrauch an allen Strukturen zur Verfügung steht, wo die Anwendung von KMV-Materialien infolge hoher Temperatur, niedrigen Gewichtes und hoher Festigkeit notwendig ist. Es ist ersichtlich, dass die präsentierte Lösung auch völlig mit den KMV-Teilen der Grundstruktur vereinbar ist.

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