Keramische Federelemente: Von der Auslegung bis zum Prototyp

Technische Keramikwerkstoffe in spiralförmiger Form können bei axialer Druckbelastung eine nennenswerte Kompression erfahren. Bei Entlastung gehen diese Druckfedern wieder in ihre Ausgangslage zurück. Aus der Palette der Keramikwerkstoffe kommen hier ausschließlich Materialien mit hoher mechanischer Festigkeit und Bruchzähigkeit in Frage. Die Herstellung von Komponenten aus technischer Keramik erfolgt auf pulvertechnologischem Wege. Aus kommerziell verfügbaren Pulvern werden nach speziellen Rezepturen Suspensionen hergestellt, diese werden in Rührwerkskugelmühlen homogenisiert und nachzerkleinert. Für die Nachfolgeprozesse werden temporär organische Additive zugegeben, um das Handling bis zur Sinterung und eine sehr gute Gefügehomogenität, als Voraussetzung für gute mechanische Eigenschaften, zu gewährleisten. Diese Suspensionen werden durch Zerstäubungstrocknung zu Pressgranulat verarbeitet. Im Falle einer keramischen Schraubenfeder wird durch kaltisostatisches Pressen eine Hülse gepresst. Deren Abmessungen korrelieren mit den späteren Endabmessungen des keramischen Federelementes, d.h. die keramische Schwindung und gezieltes Aufmaß auf allen Oberflächen für die Schleifbearbeitung sind berücksichtigt. Bedingt durch das Innen -, bzw. Außenrundschleifen im gesinterten Zustand können Schraubenfedern aus keramischen Materialien ausschließlich mit eckigem Windungsquerschnitt hergestellt werden. Ziel des Auslegungsprozesses ist es, aus dem Variantenraum eine solche Kombination der Designparameter (Materialwahl, geometrische Parameter) zu finden, die sowohl die individuellen Kundenspezifikationen (Federrate, Maximallast, Einsatztemperatur, Bauraum, Gewicht) realisiert als auch den technologischen Randbedingungen (minimaler Windungsabstand, Aspektverhältnis von Federlänge zu Innendurchmesser, Stegbreite zu Steghöhe und Tiefe der Windungen) sowie den Anforderungen einer keramikgerechten Konstruktion (Kantenverrundung) gerecht wird