Vorträge RWTH Aachen

Großgussbauteile stellen einen bedeutenden Anteil an der Gesamtmasse moderner Windkraftanlagen und sind somit eine maßgeblicher Einflussfaktor der Herausforderungen im Bereich Fertigung, Logistik und Montage. Eine mögliche Lösung sind moderne Auslegungskonzepte, die auf Basis lokaler Werkstoffeigenschaften eine Optimierung von Großgussbauteilen unter Berücksichtigung der inhärenten Werkstoffgradienten erlauben. Anhand der Demonstratorbauteile Drehmomentstütze und Planetenträger wird die potentielle Gewichtsersparnis durch die gekoppelte Anwendung der Gießprozesssimulation, mikromechanischer Simulation und moderner Bauteilauslegung für die Gusswerkstoffe EN-GJS-500-14 und EN-GJS-1050-6 dargestellt.

Das Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau der RWTH Aachen, IWM konzentriert sich in der Forschung auf anwendungsrelevante Fragestellungen der Werkstofftechnik metallischer und keramischer Werkstoffe sowie deren Werkstoffverbunde. Die Herstellung von Werkstoffen und Bauteilen durch moderne pulverbasierte Prozesse wird ebenso behandelt wie die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe und Fragen der Werkstoff- und Bauteilauslegung mit Blick auf komplexe mechanische und thermomechanische Lasten. Dabei werden sowohl numerische Simulations- als auch experimentelle Untersuchungsmethoden eingesetzt. Das IWM verfügt über umfangreiche Erfahrungen bei den Werkzeugstählen, den hochlegierten, nicht rostenden Stählen, den Gusseisen, PM-Stählen, Hartmetalle, intermetallischen Werkstoffen und Oxidkeramiken.

In der Gondel moderner Windkraftanlagen werden lastübertragende Strukturkomponenten wie Planetenträger oder Drehmomentstützen häufig aus Gusswerkstoffen hergestellt. Für den überwiegenden Teil der Lebensdauer von Windkraftanlagen führen die wirkenden Betriebslasten zu moderaten Beanspruchungen. Allerdings können Extremlastereignisse während der Lebenszeit der Windkraftanlage nicht ausgeschlossen werden. Diese können aus besonderen Windereignissen oder während der Montage resultieren. Zur Weiterentwicklung existierender Auslegungskonzepte ist ein Verständnis der Wechselwirkung einzelner Extremlasten und dauerhaft ertragbarer Beanspruchungen notwendig. Unter Berücksichtigung dieser Wechselwirkung können Berechnungskonzepte erweitert und systematisch bessere Werkstoffausnutzungen erreicht werden. Die damit verbundene Gewichtsreduktion führt zu geringerem Ressourcen- und Energieeinsatz während der Herstellung, des Transports, der Montage und des Betriebs der Bauteile.

Die Ansätze zur Qualitätsbewertung von Gussbauteilen wird um eine Methodik zur Bewertung der bauteilspezifischen Schwingfestigkeit auf Basis entnommener Hohlbohrproben erweitert. Durch die Durchführung von instrumentierten Laststeigerungsversuchen können bereits aus wenigen, aus Hohlbohrproben gefertigten Schwingproben, die bauteilspezifischen Dauerfestigkeiten am Entnahmeort der Holhbohrproben bestimmt werden. Diese Methodik erlaubt es, Qualitätsanforderungen für Gussbauteile präziser zu beschreiben und bietet dem Konstrukteur neue Spezifikationsmöglichkeiten. Durch den reduzierten Probenumfang eignet sich der vorgestellte Ansatz zudem zur lokalen Werkstoffprüfung eines Bauteils, dabei insbesondere in vielen Fällen ohne Einschränkung der Bauteilintegrität durch Entnahme von Hohlbohrproben.

Das Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau der RWTH Aachen, IWMkonzentriert sich in der Forschung auf anwendungsrelevante Fragestellungen der Werkstofftechnik metallischer und keramischer Werkstoffe sowie deren Werkstoffverbunde. Die Herstellung von Werkstoffen und Bauteilen durch moderne pulverbasierte Prozesse wird ebenso behandelt wie die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe und Fragen der Werkstoff- und Bauteilauslegung mit Blick auf komplexe mechanische und thermomechanische Lasten. Dabei werden sowohl numerische Simulations- als auch experimentelle Untersuchungsmethoden eingesetzt. Das IWM verfügt über umfangreiche Erfahrungen bei den Werkzeugstählen, den hochlegierten, nicht rostenden Stählen, den Gusseisen, PM-Stählen, Hartmetalle, intermetallischen Werkstoffen und Oxidkeramiken.

Das probabilistische Bauteildesign ermöglicht die Berücksichtigung der inhärenten Varianz von Werkstoffbeanspruchbarkeiten, Beanspruchungen und anderen Einflussfaktoren wie Herstellprozessen in den verwendeten Auslegungskonzepten. Dabei erlaubt der probabilistische Ansatz die systematische Steigerung der Leistungsfähigkeit von Gussbauteilen unter Berücksichtigung der relevanten Anforderungen an Ressourcen- und Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Die Basis für ein solches Auslegungskonzept ist die Beschreibung der Werkstoffeigenschaften und zugehöriger Unsicherheiten auf einer lokalen Ebene im Gussbauteil. Folglich setzen entsprechende Auslegungskonzepte eine systematische Verknüpfung von Gießprozesssimulation, lokalen Werkstoffeigenschaften und Unsicherheiten in der Beanspruchung voraus. Gelingt jedoch die Anwendung probabilistischer Methoden im Bauteildesign von Gussbauteilen können insbesondere im Leichtbau Optimierungen unter den drei Säulen der Leistungsdichte, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit erzielt werden.