Auslegungsplattform für keramische Schraubendruckfedern

Die vorgestellten Arbeiten entstanden im Rahmen des AiF-Projektes EndurSpring, welches die Bewertung der Zuverlässigkeit von keramischen Schraubendruck- und Tellerfedern zum Thema hat. Keramik wird für Federelemente bisher kaum eingesetzt, bietet aber wegen der exzellenten thermischen und chemischen Beständigkeit für Anwendungen mit diesbezüglich erhöhten Anforderungen ein viel versprechendes Potential. Hindernisse bestehen neben erhöhten Herstellungskosten insbesondere in fehlenden praktischen Erfahrungen mit dieser Werkstoffklasse im Federbereich. Dies betrifft bereits die Auslegung. Für spröde Materialien muss der Festigkeitsnachweis auf Basis anderer Kriterien als für Metalle erfolgen: der statistische Charakter der Festigkeit erfordert spezifische Methoden der Zuverlässigkeitsbewertung („weakest link“ Hypothese, Beschreibung unterkritischen Risswachstums). Die Herstellungstechnologie von keramischen Schraubendruckfedern resultiert in rechteckigen Windungsquerschnitten: eine Variation des Aspektratios bietet zusätzliche Optimierungsspielräume bei der Dimensionierung. Die Auslegung von keramischen Schraubendruckfedern ist auf Basis der für metallische Schraubendruckfedern etablierten Korrelationen (DIN 2090) nicht ohne weiteres möglich. Eine Alternative besteht im Einsatz numerischer Finite Elemente Modellierung. Diese Vorgehensweise ist für eine grundhafte Auslegung vergleichsweise aufwendig und für die Bewertung breiter Parameterräume während der Grobauslegung weniger geeignet. Im Rahmen des Projektes EndurSpring wird für keramische Schraubendruckfedern ein einfaches, Excel-basiertes Auslegungstool für axial belastete, keramische Schraubendruckfedern erarbeitet, welches analytische Beschreibungen mit FE-basierten Korrekturfaktoren nutzt und neben der elastischen Dimensionierung eine statistische Bewertung der Zuverlässigkeit (statische, dynamische und zyklische Standard-Belastungen) ermöglicht, sowie Möglichkeiten einer automatisierten Optimierung integriert