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Institut für Struktur- und Funktionskeramik


Bernd Rode Award 2016

Der Bernd-Rode Award wird alle 18 Monate vom ASEAN European Academic University Network (ASEA-UNINET) für herausragende Zusammenarbeit in Wissenschaft und akademischer Bildung zwischen Universitäten aus Europa und Süd-Ost-Asien im Rahmen von ASEA-UNINET Förderungen vergeben.

 

Im Februar 2016 wurden Ass. Prof. Dr. Tanja Lube (Institut für Struktur- und Funktionskeramik, Montnuniveristät Leoben) und Prof. Dr. Tjokorda Gde Tirta Nindhia (Udayana Universität, Bali, Indonesien) mit dem Bernd-Rode Award 2016 in der Kategorie "Exzellente Projekte" ausgezeichnet.

 

Ass. Prof. Dr. Tanja Lube und Prof. Dr. Tjokorda Gde Tirta Nindhia konnten die Jury mit dem Projekt "Research Collaboration on Mechanical Properties of Advanced Ceramics and Dissemination of the Results in Europe and Indonesia" überzeugen. Während der mehrjährigen Zusammenarbeit, die durch Forschungsaufenthalte von Dr. Tjokorda Gde Tirta Nindhia an der Montanuniversität in den Jahren 2008/09 und 2014 intensiviert wurde, konnten grundlegenden Arbeiten zur Messung der Bruchzähigkeit von Keramiken mithilfe von verschiedenen Methoden durchgeführt werden. Die neuen Erkenntnisse wurden auf mehreren internationalen und nationalen Tagungen präsentiert und in Fachzeitschriften publiziert. Im Rahmen eines Kurses über Mechanische Eigenschaften von keramischen Werkstoffen, gehalten von Ass. Prof. Dr. Tanja Lube im Herbst 2015 an der Udayana Universität Bali, Indonesien, wurde das neu gewonnene Wissen für Hörer aus ganz Indonesien aufbereitet.

 

Kontakt:

 

Ass. Prof. Dr. Tanja Lube

Institut für Struktur- und Funktionskeramik

Montanuniversität Leoben

+43 (0)3842 402 4111

tanja.lube@unileoben.ac.at

www.isfk.at

 

asea-uninet.org

Homepage zum Leitprojekt addmanu online

Link zur Homepage: www.addmanu.at

 


"Notched Ball Test" für Keramikkugeln

Credit: ISFK / Stefan Strobl
Credit: Andreas Schöberl/KLEINE ZEITUNG

Mit dem "Notched Ball Test" des steirischen Materialwissenschafters Dipl.-Ing. Stefan Strobl lässt sich die Oberflächenqualität keramischer Kugeln prüfen. Die Methode bildet die Basis der ÖNORM M 6341 zur Bestimmung der Festigkeit von Wälzlagerkugeln aus Keramik. Diese erlaubt den Vergleich und die Charakterisierung von Materialien und gewährleistet bei der Herstellung der Proben auch die Integrität der keramischen Oberfläche. 

Keramische Werkstoffe sind auf dem Vormarsch. Dank ausgezeichneter Eigenschaften wie großer Härte, geringer Dichte, elektrischer Isolation und einer sehr guten Beständigkeit gegen Korrosion, Verschleiß und hohe Temperaturen kommen sie mittlerweile bei Anwendungen zum Einsatz, die früher nur mit Metallen möglich waren.

Bauteile für hohe Beanspruchungen

Bedeutende Einsatzgebiete für Strukturkeramiken sind Anwendungen mit hohen Temperaturen. Dazu zählen etwa Gasturbinen mit Drehzahlen von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute und – aufgrund des steigenden Wirkungsgrades – zunehmend Verbrennungsmotoren.

Keramische Werkstoffe halten sehr hohen Beanspruchungen ohne Verzug oder Ermüdung stand und bieten sich deshalb für die Verwendung in Lagern und Dichtungen an. Auch für den Einsatz in Pumpen oder in Getrieben, wo die Bauteile Korrosion oder Verschleiß ausgesetzt sind, eignen sich widerstandsfähige Strukturkeramiken optimal.

Den unbestreitbaren Vorteilen von Keramiken stehen die höheren Herstellungskosten, die Sprödigkeit und das Phänomen des plötzlichen Materialversagens gegenüber. Da Keramik ein relativ junger Werkstoff ist, ist noch nicht jedes Verhalten in jeder Umgebung bekannt. Umso wichtiger ist deshalb die Qualitätskontrolle des Werkstoffs und der Oberflächengüte.

Die mechanischen Eigenschaften von Keramik lassen sich nur statistisch beschreiben und und müssen unbedingt am tatsächlichen Bauteil überprüft werden, da Parameter wie etwa die Festigkeit deutlich von der konkreten Oberflächenqualität abhängen.

Kerbkugelversuch erlaubt Qualitätskontrolle

Dieses Problem hat der Diplomingenieur Stefan Strobl mit einer neuartigen Prüfmethode gelöst. In seiner Dissertation am Institut für Struktur- und Funktionskeramik (ISFK) an der Montanuniversität Leoben hat der Werkstoffwissenschaftler ein neues Verfahren zur Prüfung von keramischen Kugeln entwickelt, die unter anderem in Lagern von Formel-1-Rennwagen und großen Windkraftanlagen zum Einsatz kommen.

"Mit dem 'Notched Ball Test' – zu deutsch Kerbkugelversuch – lässt sich die Festigkeit von Originaloberflächen selbst an kleinen Bauteilen mit hoher Genauigkeit messen. Die Prüfung lässt sich einfach durchführen und auch einfach auswerten", sagt Strobl.

Die Keramikkugel wird in der Äquatorebene zu rund 80 Prozent des Durchmessers eingeschnitten. Über zwei Stempel wird an den Polen eine Kraft eingeleitet, das Zusammendrücken der Kerbe führt zu Zugspannungen am Äquator der Kugeloberfläche. Aus der Bruchkraft und der Geometrie der Kugel kann die Zugfestigkeit des Materials ermittelt werden.

Da für die Herstellung und Prüfung der Proben keine speziellen Einspannvorrichtungen notwendig sind, ist die Versuchsanordnung sehr einfach. Im Gegensatz zum genormten Festigkeitstest in 4-Punkt-Biegung wird die Originaloberfläche geprüft. Die rasche und flexible Probenfertigung ermöglicht die Prüfung größerer Stichproben.

Neue ÖNORM M 6341 zur Bestimmung der Festigkeit

Die in der Dissertation entwickelten Grundlagen dienen als Basis für die vor Kurzem publizierte ÖNORM M 6341 "Wälzlager – Wälzlagerkugeln aus Keramik – Bestimmung der Festigkeit – Kerbkugelversuch". Das Regelwerk beschreibt den "Notched Ball Test" zur Bestimmung der Festigkeit für Wälzlagerkugeln aus Keramik, vorzugsweise aus Siliziumnitrid mit Durchmessern von 3 mm bis 50 mm.

Um die Etablierung im internationalen Umfeld – etwa der International Organization for Standardization (ISO) – zu erleichtern, wurde die Norm auf Deutsch und Englisch publiziert.

Hilfsmittel zur Materialspezifikation

Für Dr. Gerwin Preisinger, der beim Wälzlagerhersteller SKF in Steyr für die Entwicklung von Hybridlagern und den dafür benötigten keramischen Wälzkörpern verantwortlich ist und der Strobls Dissertation als Industriepartner begleitet und finanziert hat, ist die Veröffentlichung als ÖNORM eine äußerst positive Entwicklung.

"Wälzkörper aus 'technischer Keramik' haben immense Vorteile gegenüber jenen aus Stahl: Sie ermöglichen eine geringere Lagerreibung, höhere Drehzahlen, sind weniger anfällig für Verschmutzung und bieten eine längere Lebensdauer. Die Formulierung eines eigenen Standards zur Qualitätskontrolle hilft, den Werkstoff Keramik in Wälzlageranwendungen noch besser zu etablieren. Denn der 'Notched Ball Test' kann auf dieser Basis als Werkzeug zur Materialspezifikation zwischen Lieferanten und Kunden herangezogen werden", so der Experte.

Wachstumsmarkt Hybridlager

In der Praxis kommen meist Hybridlager zum Einsatz. Dabei werden die Kugeln aus Keramik und die Präzisionsringe aus Stahl hergestellt. Aufgrund des vernachlässigbaren Abriebs erlaubt diese Kombination die Herstellung völlig abgekapselter Bauteile mit Fettschmierung.

Derartige Lösungen sind etwa bei autonomen Systemen wie Tiefseepumpen ohne eigene Versorgungsleitungen gefragt. Die bestechenden Eigenschaften der Werkstoffkombination Stahl-Keramik überzeugen: Der Markt für Hybridlager weist seit 2000 jährlich zweistellige Wachstumsraten auf. 

Und es bieten sich noch weitere Anwendungsmöglichkeiten, etwa bei Bohrern, die schnell beschleunigen und stoppen müssen, bei Supraleitern, im Tieftemperaturbereich oder bei In-vivo Anwendungen in der Medizintechnik.

Ein Grund mehr, größten Wert auf die Materialqualität zu legen. Mit dem "Notched Ball Test" und der ÖNORM M 6341 liegen die erforderlichen Tools zur Qualitätssicherung vor. Ihre Geschichte zeigt, wie die Arbeit österreichischer Forschung zu innovativen und international anwendbaren Produkten führen kann – mit Hilfe von Normen.

Autor: Herbert Hirner

Bibliographie

ÖNORM M 6341 Wälzlager – Wälzlagerkugeln aus Keramik – Bestimmung der Festigkeit –Kerbkugelversuch


Aus Montanuni-Dissertation wurde ÖNORM

Notched Ball Test (NBT)

Mit seinen ersten wissenschaftlichen Arbeiten gleich einen österreichischen und bald auch internationalen Standard zu schaffen, diese Meisterleistung ist dem jungen Montanisten Dipl.-Ing. Stefan Strobl gelungen. In seiner Dissertation am Institut für Struktur- und Funktionskeramik der Montanuniversität entwickelte der 28-jährige Werkstoffwissenschaftler und MCL-Mitarbeiter unter anderem ein neues Verfahren zur Prüfung von keramischen Kugeln, die beispielsweise in Kugellagern in Formel-1-Rennautos und großen Windkraftwerken eingesetzt werden.

"In Kugellagern werden oft Kugeln aus Keramik verwendet, da diese wesentlich leichter als Kugeln aus Stahl und elektrisch isolierend sind", erklärt Strobl. Diese Kugeln sind einerseits einer großen Belastung ausgesetzt, konnten andererseits jedoch vor ihrem Einsatz bisher nur optisch auf etwaige Fehler untersucht werden. "Zugspannungen können winzige Risse in der Oberfläche öffnen, und die Keramikkugel zerbricht", schildert Strobl das Problem. Bisherige Prüfmethoden, bei denen oft Teile aus den Kugeln herausgeschnitten werden mussten, sind teuer und brachten keine befriedigenden Ergebnisse.

Für den an der Montanuniversität entwickelten sogenannten Kerbkugelversuch wird die Kugel in der Äquatorebene zu rund 80 Prozent des Durchmessers eingeschnitten und eine Kraft mit zwei Stempeln an den Polen eingeleitet. Durch das Zusammendrücken der Kerbe werden Zugspannungen erzeugt, und in weiterer Folge kann aus Bruchkraft und Geometrie der Kugel die Festigkeit des Materials ermittelt werden. "Es handelt sich nun um einen sehr einfachen Versuch mit sehr geringen Messunsicherheiten, da z. B. keine speziellen Einspannvorrichtungen zur Herstellung und Prüfung von den Proben notwendig sind", betont Strobl.

Die Vorteile der Leobener Entwicklung bestätigt auch das Österreichische Normungsinstitut, das den Kerbkugelversuch jüngst zur ÖNORM M 6341 für die Qualitätssicherung von Wälzlagerkugeln aus Keramik erhob. Als nächster Schritt wird nun auch an der Anerkennung der Methode als internationale ISO-Norm gearbeitet.

Dipl.-Ing. Stefan Strobl

Der gebürtige Grazer Dipl.-Ing. Stefan Strobl (geb. Witschnig) studierte Werkstoffwissenschaft an der Montanuniversität. Derzeit arbeitet er als Mitarbeiter des Materials Center Leoben (MCL) und in Kooperation mit SKF Steyr an seiner Dissertation im Bereich der Hybridlagertechnik. Die Arbeit mit dem Titel "Zuverlässigkeit von hochbeanspruchten keramischen Wälzkörpern" (COMET-K2 Projekt) wird am Institut für Struktur- und Funktionskeramik der Montanuniversität von O.Univ.-Prof. Robert Danzer betreut. Strobl erhielt bereits mehrere Auszeichnungen bei internationalen wissenschaftlichen Veranstaltungen in Lausanne, Saarbrücken, Karlsruhe und Leoben.

Weitere Informationen:

Dipl.-Ing. Stefan Strobl
Tel.: +43 3842 402-4113
E-Mail: stefan.strobl[at]mcl.at


Johann Puch Innovation Award an Montanisten

Dipl.-Ing. Clemens Krautgasser (r)

Dipl.-Ing. Clemens Krautgasser, Absolvent der Studienrichtung Werkstoffwissenschaft, erhielt den dritten Platz des diesjährigen Johann Puch Innovation Awards. Diese Platzierung bei einem wichtigen Preis der Automobilbranche unterstreicht die Bedeutung der universitären Forschung für die Industrie. C.Krautgasser ist langjähriger Mitarbeiter am Institut für Struktur- und Funktionskeramik der Montanuniversität Leoben und führt seine Arbeit in einer Dissertation am ISFK gemeinsam mit dem MCL im Rahmen eines COMET Projekts fort.

C.Krautgasser beschäftigte sich in seiner Diplomarbeit mit Leiterplatten aus Keramik. Leiterplatten aus Keramik können gegenüber herkömmlichen Leiterplatten aus Kunststoff das Einsatzfeld erweitern, so können z. B. in einer Sensoranwendung Daten aus bisher unerreichten, kritischen Bereichen geliefert werden und damit die Prozesskontrolle mit allen daraus folgenden Vorteilen verbessert werden. Eine mechanisch stabilere Leiterplatte ermöglicht z. B. eine konstantere Geometrie des Bauteils unter Belastung oder die Integration einer Antenne in die Leiterplatte, wie einen Radar-Abstandssensor.

Leiterplatten aus Keramik
Keramiken zählen jedoch zu den spröden Werkstoffen, was eine spezielle Herausforderung im Fahrzeugbau darstellt. Entscheidend für die Funktionsfähigkeit ist dabei das Rissverhalten. Der Schwerpunkt der Diplomarbeit lag auf der Untersuchung der Einflüsse unterschiedlicher Umgebungsbedingungen, wie Wasser, Luft, Öl oder Inert Gas, auf das Risswachstum. Auf Basis der Erkenntnisse der Arbeit von C.Krautgasser kann das Risswachstum und damit die Lebensdauer von elektronischen Bauteilen unter angeführten Bedingungen besser abgeschätzt werden. Diese Erkenntnisse kommen damit dem Trend im Automobilbau, lokale Werkstoffeigenschaften bei der Auslegung von Bauteilen gezielt zu berücksichtigen, entgegen.
"Da die Elektronik im modernen Automobilbau eine immer wichtigere Rolle spielt, ob im Bereich der Sicherheit, Energieeffizienz oder Funktionalität, ist die Diplomarbeit von Krautgasser von besonderer Bedeutung", heißt es in der Begründung für die Auszeichnung.


JECS-Trust Award für Prof. Danzer

o.Univ.-Prof. Mag. et Dr.rer.nat. Robert Danzer (Foto: Wilke)

Für seine wissenschaftlichen Veröffentlichungen ist o.Univ.-Prof. Dr. Robert Danzer mit einem besonderen wissenschaftlichen Preis ausgezeichnet worden.

Auf dem Gebiet der keramischen Werkstoffe hat sich das den Preis verleihende Journal of the European Ceramic Society ( JECS - Impact Factor: 2.353) in den vergangenen zehn Jahren zur angesehensten und meist zitierten wissenschaftlichen Zeitschrift entwickelt und damit das Journal of the American Ceramic Society (Impact Factor: 2.272) überholt.

Der JECS-Trust Award wird an Wissenschaftler vergeben, die durch ihre Publikationen im besonderen Maße zur hohen Qualität und zum hohen Ansehen des Journals beigetragen haben. Danzer ist erst der zweite Träger dieses Preises.

 

 


 

Seminar Bruchmechanik spröder Werkstoffe Montanuniversität Leoben 2. – 3. Mai 2013

o. Univ. Prof. Dr. R. Danzer (ISFK, MU Leoben): Bruchzähigkeit als  Designkriterium -  Prof. Dr. M. Kuna (IMFD, Bergakademie Freiberg): FEM-Techniken zur Rissanalyse im Rahmen der LEBM - Dr. T. Lube (ISFK, MU Leoben): Experimentelle Ermittlung bruchmechanischer Kenngrößen, Beurteilung von Bruchflächen - Prof. Dr. R. Pippan (Lehrstuhl für Materialphysik, MU Leoben): Grundlagen der linearelastischen Bruchmechanik - DI S. Rasche (ISFK, MU Leoben): Ermittlung von Spannungsintensitätsfaktoren mit Gewichtsfunktionen

 

 


Forschungspreis für DI Martin Pletz

Foto (c) JOANNEUM RESEARCH, Graz

Herrn Dipl.-Ing. Martin Pletz wurde für die Entwicklung eines Modells zur Einbettung keramischer Bauelemente in Leiterplatten der Forschungspreis für Simulation und Modellierung des Landes Steiermark 2012 in der Kategorie 2 - Wirtschaftliche Anwendungen zuerkannt.

Bild links (links nach rechts): Preisträger DI Martin PLETZ, Landesrätin Kristina Edlinger-Ploder, Prof. Dr. Robert Danzer

Link zum VIDEO zur Preisverleihung


Österreichische Keramische Gesellschaft (Austrian Ceramic Society, AuCerS) gegründet

Die österreichische keramische Gesellschaft (Austrian Ceramic Society, AuCerS) wird von den beiden etablierten Keramikforschern Prof. Dr. Robert Danzer von der Montanuniversität Leoben und Prof. Dr. Klaus Reichmann von der TU Graz geleitet.

 

 

Die Hauptaufgaben liegen in

  • der Förderung von Studenten und jungen Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Keramik
  • der Förderung der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Keramik
  • der Bewerbung, Unterstützung und Durchführung von Veranstaltungen wie z.B. von Seminaren, Tagungen und Konferenzen
  • der Vertretung dieser Ziele in internationalen Organisationen