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HochleistungsbetonHochfester Beton im Maschinenbau

Die Präzision von Bearbeitungsmaschinen hängt unter anderem von den mechanischen Eigenschaften des Maschinenbetts ab. Was bei kleinen Abmaßen unproblematisch ist, führt bei langen Verfahrwegen zu Abweichungen. Die Lösung für große Maschinen liegt in einem neuen Werkstoff. Der Beitrag von Dr. Peter Stipp zeigt, welche Vorteile hochfester Beton im Vergleich zu Stahl, Gusseisen und Polymerbeton bietet.
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Hochleistungsbeton: Hochfester Beton  im Maschinenbau

Die Anforderung an die Bearbeitung von großen Werkstücken mit Dreh-, Bohr- oder Fräsmaschinen ist hoch. Je länger der Verfahrweg, umso problematischer wird die Genauigkeit der Linearführung. Die Ursache liegt meist in den mechanischen Eigenschaften des Maschinenbetts auf dem das Werkstück, oder auch die Maschine selbst, verfahren wird. Hinzu kommt eine meist zu geringe Dämpfung, was sich in Schwingungen an Schneide und Bohrer äußert. Jetzt gibt es eine Lösung, auf die der Maschinenbau lange gewartet hat: Ein Werkstoff mit hoher Dämpfung, geringem Wärmegang und einem spezifischen Gewicht wie Aluminium. Die Rede ist von hochfestem Beton (HPC). Dass dieser Werkstoff bislang nicht im Maschinenbau eingesetzt wurde, lag in erster Linie daran, dass eine präzise Bearbeitung von Teilen mit einer Länge von 10 Metern und darüber nicht möglich war.

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Um dem Maschinenbau diese Alternative zu erschließen, haben die Firmen Max Bögl (Neumarkt) und E. Reitz Natursteintechnik (Asslar) Anfang des Jahres ein neues Unternehmen gegründet: Die Bögl Reitz GmbH, ebenfalls mit Sitz in Asslar. Beide Unternehmen sind Spezialisten auf ihrem Gebiet. Max Bögl zählt zu den größten deutschen Bauunternehmen. Angefangen vom Hoch- und Verkehrswegebau über den Tunnelbau bis hin zum Stahl- und Anlagenbau. Eine der Kernkompetenzen ist die Herstellung von Betonfertigteilen. Daher erfolgen dort die Auslegung, die Statik und das Gießen des Betons. Die Firma E. Reitz Natursteintechnik schneidet und bearbeitet seit Jahrzehnten Maschinenbetten aus Granit mit Abmaßen bis zu 8 Metern und einer Ebenentoleranz von 1/1000 mm. Sie stellt die technische Beratung im neuen Unternehmen und übernimmt die komplette Bearbeitung wie Fräsen, Bohren und Schleifen. Dazu der Inhaber Egbert Reitz: "Wir können mit hochfestem Beton statische Werte in Verbindung mit Genauigkeiten erzielen, die es bislang im Maschinenbau so noch nicht gibt. Eine hohe Dämpfung, kein Schwingen und ein geringer Wärmegang. Aufgrund unseres Equipments können wir Betonteile bis 40 Tonnen und einer Länge von bis zu 13 Metern mit einer Genauigkeit von 1/100 mm bearbeiten."

Einstellbare Materialeigenschaften

Was ist hochfester Beton überhaupt und wo liegen seine Vorteile im Vergleich zu Stahl, Gusseisen und Polymerbeton. Der "normale" Beton ist eine Mischung aus Zement, Wasser und unterschiedlich großen Gesteinskörnungen. Das ist beim hochfesten Beton ähnlich, nur dass dieser einen sehr geringen Wasserzementwert hat. Daher muss Fließmittel zugegeben werden, um eine leichte Verarbeitung sicherzustellen. Denn eine der herausragenden Eigenschaften ist die flüssige Konsistenz, mit der sich schon bei Raumtemperatur beliebige Formen herstellen lassen - ohne dass der Werkstoff geschmolzen, beziehungsweise gebrannt werden muss. Darüber hinaus sind in der Mischung ein Feinstkorn in abgestuften Größen sowie chemische Zusatzstoffe enthalten. Die Güte des Betons und die Einsatzmöglichkeiten richten sich u.a. nach seiner Druckfestigkeit; hochfester Beton beginnt bei ca. 100 N/mm².

Wichtig bei der Mischung ist die so genannte Sieblinie. Hier geht es um genau definierte Zugaben, angefangen von der groben Körnung bis hin zu Mikrosilika. Letztere sind deutlich kleiner als Zementteilchen und haben die Aufgabe Porenräume auszufüllen. Das ermöglicht nicht nur eine hohe Packungsdichte, es reduziert auch Störungen wie beispielsweise Mikrorisse. Diese speziellen Mischungen sind das Gleiche, was in der Industrie als kundenspezifische Entwicklung bezeichnet wird. Denn die Anpassung an die jeweilige Anforderung erfolgt über unterschiedliche Körnungen und Zusatzstoffe. Das Geheimnis liegt also in der Rezeptur. Interessant in diesem Zusammenhang ist, dass man wie beim Brückenbau mit einer Vorspannung arbeiten kann. Das heißt, es können Kräfte eingeleitet werden.

Hochfester Beton schwindet nicht mehr

Hochfester Beton wird zunächst wie normaler Beton gegossen und muss 24 bis 36 Stunden abbinden. Der Hauptunterschied, neben den genannten Zusätzen, liegt in der nachfolgenden Wärmebehandlung. Auch die darauf folgende Abkühlung ist präzise gesteuert. Mit diesem Vorgang wird die chemische Reaktion der Ausgangsstoffe beschleunigt, was letztendlich zu den gewünschten dichteren Phasen im Zementstein führt. Das wichtigste Resultat ist die folgende Eigenschaft: Das Material schwindet danach nicht mehr, denn genau dieses wurde vorweggenommen! Tests von unabhängigen Dienstleistern mit hochgenauen Messgeräten haben gezeigt, dass sich hochfester Beton über einen Messzeitraum von mehreren Monaten nicht verändert.

Anders ist es mit dem Werkstoff Polymerbeton, der ebenfalls für Maschinenbetten eingesetzt wird; denn die hier verwendeten Kunstharze reagieren noch nach Jahren. Damit kann das Schrumpfen in die Buchsensetzung einbrechen, was ebenfalls die Genauigkeit beeinflusst. Dieses Material ist daher eher für Abmaße bis hin zu 3 Metern geeignet, bei denen die Folgen des Schrumpfens eventuell noch innerhalb der Toleranz liegen. Außerdem sind die Formen aufgrund der geforderten Genauigkeit der Oberfläche sehr teuer, so dass Polymerbeton nur bei hohen Stückzahlen wirtschaftlich ist. Beim HPC hingegen ist dies schon bei Einzelstücken sinnvoll, da hier die klassische Holzschalung völlig ausreicht. Denn die Bearbeitung der Oberfläche auf den Maschinen bei Bögl Reitz erfolgt nach dem Trocknungsprozess, ebenso wie das Bohren der Gewindeeinsätze für die Linearführungen. Und damit ist die Genauigkeit gewährleistet. Auch der bisherige Vorteil des Polymerbetons, dass man beispielsweise Rohre und Ablaufrinnen bereits beim Gießen mit berücksichtigt, kommt nicht mehr zum Tragen; denn auch dies ist mit hochfestem Beton aufgrund der flüssigen Konsistenz problemlos möglich.

Hohe Dämpfung und geringer Wärmegang

Betrachtet man sich Maschinenbetten aus Gusseisen und Stahl, so zeigen sich gerade bei der Herstellung und Bearbeitung deutliche Unterschiede zum hochfesten Beton. Ein Gusseisenbett wird gegossen, geglüht und vorgefräst; dann nochmals geglüht und schließlich endbearbeitet - wenn man etwas Genaueres haben möchte. Das Ganze dauert bis zu einem halben Jahr. Mit hochfestem Beton geht dies nicht nur wesentlich schneller, es sind auch größere Bauteile möglich. So erreichen großformatige T-Nut Aufspannplatten, die derzeit bei Bögl Reitz bearbeitet werden, Abmaße von 8 x 3 Meter. Und das liegt bereits über den Maßen, die typischerweise produziert werden. Ein weiterer Punkt ist die Wärmeleitzahl. Während Beton aufgrund des kleinen Wertes von 2,0 bis 2,5 W/m°K lange Zykluszeiten bietet, ist der Wärmegang von Stahl und Gusseisen sehr schnell (beide 50 W/m°K). Das heißt, sie zeigen bereits bei kurzen schnellen Temperaturänderungen eine "Reaktion". Auch das Bearbeiten ist ein zentrales Thema. So erzeugt der Messerkopf beim Stahl eine nicht unerhebliche Prozesswärme, ist er zudem noch dünn, wölbt er sich. Diese Probleme treten beim hochfesten Beton nicht auf. Erstens sind die Oberflächen deutlich leichter zu bearbeiten und zweitens kann die Form sogar noch nachträglich durch Fräsen an die jeweilige Anforderung angepasst werden. Außerdem ist Beton nicht magnetisch, absolut korrosionsbeständig und liegt mit einer Dichte von maximal 2,6 g/cm³ sogar knapp unter Aluminium; die Dichte von Stahl und Gusseisen hingegen ist um circa den Faktor 3 größer.

Versucht man einen Vergleich mit einem Maschinenbett aus Granit, der Kernkompetenz von E. Reitz Natursteintechnik, sieht das schon etwas anders aus. Wenn es um eine hohe Genauigkeit in Verbindung mit der thermischen Ausdehnung geht, ist Granit weiterhin die Nummer 1. Denn der lineare Ausdehnungskoeffizient von Beton entspricht ungefähr dem von Stahl und liegt damit bis zu einem Faktor 2 über dem Wert von Granit. Letzterer ist daher der ideale Werkstoff für den Präzisionsbereich wie Mess- und hochgenaue Schleifmaschinen, denn die Ebenentoleranz liegt bei 1/1000 mm. Und aufgrund seiner meist kubischen Form ist er bei kleinen Abmaßen sogar preiswerter als der hochfeste Beton und der Polymerbeton.

Das neu gegründete Unternehmen Bögl Reitz ist mit der Anwendung dieses Werkstoffs aber noch einen Schritt weitergegangen. Hier wird hochfester Beton nicht nur für Maschinenbetten sondern auch für Teile der Maschine selbst eingesetzt. Dass dies überhaupt möglich ist, hängt mit den Mischungen und den damit erreichbaren Güteklassen zusammen. Beton ist ein moderner Werkstoff der an die Randbedienungen der Anwendung angepasst werden kann. Durch betontechnologische Maßnahmen können seine Eigenschaften wie Druckfestigkeit, Dauerhaftigkeit, Formgebung und Wärmeleitfähigkeit gezielt eingestellt werden.

Die exzellenten mechanischen Eigenschaften werden durch eine Optimierung der Packungsdichte, die Erhöhung der Gefügehomogenität, die drastische Reduzierung der Matrixporosität und das Vermeiden von Fehlstellen gewährleistet. Für eine hohe Biegefestigkeit können über Beimischungen und spezielle Form- und Gießverfahren entsprechende Geometrien realisiert werden. Ein aktuelles Beispiel hierzu ist ein Portalfräswerk, komplett aus hochfestem Beton - angefangen von der Traverse über die Stützen bis hin zur Pinole(!). Hier können Teile bis zu einer Länge von 14 Metern auf einem verfahrbaren Tisch bearbeitet werden. Die Traverse wiegt 36 Tonnen, die Stützen jeweils 12 Tonnen und die lichte Weite beträgt 4 Meter.

Fazit

Die Firma Bögl Reitz bietet mit den technischen Eigenschaften des hochfesten Betons eine echte Alternative zu Bauteilen aus Metallen und Polymerbeton: Hohe Dämpfung, geringer Wärmegang, eine Oberflächengenauigkeit von 1/100 mm auf 13 Meter ¿ und einstellbare Materialeigenschaften. Das ist ein Novum. Gerade für Unternehmen, die große und mittelgroße Maschinen bauen. Hinzu kommt die hohe Verfügbarkeit. Hier ist der Begriff Innovation, der leider viel zu häufig bemüht wird, endlich mal gerechtfertigt. Wer zusätzlich Wert auf ein passendes Corporate Design legt, erhält den Beton sogar in der entsprechenden Farbe.

Dr. Peter Stipp

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