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:
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.
Eigenschwingungen und Fremdschwingungen haben bei Bearbeitungsmaschinen unerwünschte Effekte wie:
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.
Ergebnisse der Präzisionsprüfung:
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.
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.
Stahl- und Gussbauteile:
UHPC-Bauteile:
Granit-Bauteile: