Mineralische Werkstoffe wie natürliches Hartgestein (Granit) oder hochfester Beton UHPC (Ultra High Performance Concrete) gewinnen zunehmend an Bedeutung im Maschinen- und Anlagenbau. Deren Eigenschaften machen diese zu überzeugenden Alternativen gegenüber herkömmlichen Konstruktionen aus Stahl und Guss.
Für den Einsatz der natürlichen Materialien von Beton und Granit sprechen eine Reihe von Gründen. Vornehmlich sind es die hervorragenden physikalischen Eigenschaften, die hohe Präzision der Maschinenkomponenten und eine sehr gute Öko-Bilanz.
Die Maschinen- und Anlagenbauer erkennen zunehmend diese Vorteile und schaffen damit Wettbewerbsvorteile. Dafür gibt es stichhaltige Argumente:
Vergleich 1:
Thermische Eigenschaften von Beton und Granit vs. Stahl/Guss
Die thermischen Eigenschaften der Gestellwerkstoffe haben einen maßgeblichen Einfluss auf Geometrieveränderungen und somit auf die Genauigkeit der Maschinenkomponenten. Die Fakten zum Vergleich:
Thermische Eigenschaften bei 20° C Stahl/Guss, Beton und Granit im Vergleich
| Längenausdehnungs-Koeffizienten - α (10-6/K) | Wärmeleitfähigkeit λ (W/(m*K)) |
Spezifische Wärmekapazität cp - J/(kg * K) |
|
| Stahl | 11,1 – 11,5 *** | 46-50 * | 490 – 502 ** |
| Grauguss | 10 – 11,7 **** | 45,5 - 52,5 **** | 460 – 540 ** |
| UHPC (MBB-50) | 10,8 – 11,2 | 1,8 – 2,4 | 900 |
| Granit |
5 – 7,5 |
3 | 845 |
*Quelle | **Quelle | ***Quelle | ****Quelle
Wie der Tabelle zu entnehmen ist, sind mineralische Werkstoffe aus thermischer Sicht wesentlich bessere Werkstoffe für Präzisionsmaschinenkomponenten als Materialien wie Stahl und Grauguss. Granit hat den absolut niedrigsten Längenausdehnungskoeffizient der verglichenen Materialien und verändert sich am geringsten in der absoluten Längenausdehnung.
Durch ihre geringe Wärmeleitfähigkeit und höhere spezifische Wärmekapazität reagieren Granit und hochfester Beton UHPC wesentlich träger auf Temperaturänderungen als die metallischen Werkstoffe. Insbesondere kurzfristige und höhere Temperaturdifferenzen führen bei Stahl und Grauguss zu permanenten Geometrieveränderungen.
Vergleich 2: Schwingungsdämpfung von Beton und Granit vs. Stahl/Guss
Eigenschwingungen und Fremdschwingungen haben bei Bearbeitungsmaschinen unerwünschte Effekte wie:
- Negativer Einfluss auf Bearbeitungsgenauigkeiten (Position)
- Verschlechterung der Oberflächenqualität (Rauheit)
- Höherer Werkzeugverschleiß
Materialdämpfung im Vergleich
| Dämpfung in 10³ kg/ms | |
| Stahl | 0,002 * |
| Grauguss | 0,003 * |
| UHPC (MBB-50) | 0,03 |
| Granit | 0,03 -0,04 |
*Quelle: Verlag Moderne Industrie; Die Bibliothek der Technik; Band 231
Das Schwingungsverhalten von mineralischen Werkstoffen gegenüber metallischen Werkstoffen (Stahl und GG) ist gekennzeichnet durch eine geringere Eigenfrequenz und einen schnelleren Abbau der Schwingungsamplitude bei Schwingungsübertragungen. Zunehmende Bedeutung gewinnt außerdem die Lärmbelastung, die durch die besseren Eigenschaften bei Granit und Beton wesentlich geringer ausfällt als bei Stahlkonstruktionen.
Anwendungsbeispiel Messwürfel
Ergebnisse der Präzisionsprüfung:
Vergleich 3: Beton und Granit sind spannungsfrei, Stahl/Guss nicht
Bedingt durch Produktion bzw. Entstehung unterscheiden sich metallische und mineralische Werkstoffe voneinander.
Stahl und Stahlguss/Grauguss werden durch hohe Temperaturen eingeschmolzen und abgegossen. Durch das Abkühlen entstehen im Material Spannungen. Diese können dann bei der weiteren Bearbeitung durch energieintensive Prozesse reduziert werden. Restspannungen bleiben bestehen.
UHPC Bauteile (Beton) werden selbstverdichtend abgegossen. Das Material verdichtet sich ohne mechanische Einwirkungen spannungsfrei durch die genau abgestimmte Sieblinie im Zusammenwirken mit Fließmitteln.
Granit ist ein Tiefengestein, entstanden aus Magma innerhalb der Erdkruste. Es ist Millionen Jahre „gereift“, Spannungen im Material sind komplett abgebaut.
Vergleich 4: High End Präzisionsbearbeitung von Beton und Granit vs. Stahl/Guss
Granit und UHPC Beton lassen sich wie Stahl und Grauguss mechanisch genau bearbeiten. Aufgrund fehlender Materialspannungen und der geringeren Dichte gegenüber Stahl und Grauguss werden durch händisches Läppen bei Granit und UHPC höhere Genauigkeiten erreicht.
Vergleich 5: Energie- und CO2-Bilanz von Beton und Granit vs. Stahl/Guss
Stahl- und Gussbauteile:
- Hohe Aufwendung durch Abbau der Rohstoffe in Bergwerken
- Sehr hohe Aufwendung durch Schmelzprozess Stahl- und Grauguss: temperaturintensiver Prozess
- Recycelbar durch Einschmelzen, hohe Aufwendungen
UHPC-Bauteile:
- Mittlere Aufwendung bei Abbau der Mineralien in Kiesgruben
- Mittlere Aufwendung Produktion Zement
- geringe Aufwendung Misch- und Giessprozess MBB-50: kein Erhitzen notwendig
- Recycelbar durch Schreddern und Verwendung als Material für den Straßenbau, geringe Aufwendung
Granit-Bauteile:
- Geringe Energieaufwendung bei Abbau der Granitblöcke im Steinbruch
- Recycelbar durch Schreddern und Verwendung als Material für den Straßenbau, geringe Aufwendung
