Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Keramikschrauben – korrosions- und hitzebeständig

30.04.2014

Schrauben sind meist aus Stahl. Große Hitze oder Säure setzt diesem sonst so stabilen Material jedoch stark zu. Eine Alternative: Keramische Schrauben. Welche Kräfte sie aushalten, können Forscher nun präzise vorhersagen.

Kurz nicht aufgepasst – und prompt ist man über die Bürgersteigkante gestolpert. Diagnose: Komplizierter Beinbruch.


Eine neu designte keramische Dehnverschraubung mit 4 mm Schraubendurchmesser wird auf ihre Belastbarkeit geprüft: links real und rechts virtuell in einer Computersimulation (inverse Modellierung).

© Fraunhofer IWM

Damit der Knochen wieder richtig zusammenwächst, verbinden Ärzte die Knochenfragmente mit Schienen. Verwenden sie dabei Metallschrauben, kann es jedoch zu Unverträglichkeiten kommen. Viele Mediziner würden daher keramische Schrauben bevorzugen.

Ebenso bei langfristigen Implantaten: Enthalten diese metallische und damit magnetisierbare Stoffe – und sei es nur eine winzige Schraube – so macht das eine Diagnostik wie Computer- und Magnetresonanz-tomografie unmöglich. Auch außerhalb von Krankenhäusern wären Keramikschrauben eine gute Alternative – etwa für chemische, elektrische und thermische Anwendungen: Sie wirken elektrisch isolierend und vertragen den Einsatz in Säuren und Laugen.

Darüber hinaus trotzen sie Temperaturen von über tausend Grad Celsius, während ihre metallischen Gegenstücke bei etwa 500 Grad Celsius erweichen. In Öfen beispielsweise, wo hohe Temperaturen herrschen, bestehen meist schon alle Teile aus Keramik – außer den Schrauben.

»Das schwächste Material begrenzt jedoch die Anwendung. Das heißt: Die Temperatur darf nur so hoch sein, wie die Schrauben sie aushalten«, sagt Christof Koplin, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. »Mit Keramikschrauben könnte man den Techniksprung hin zur Keramik endlich vollständig vollziehen.«

Bisher stehen die Hersteller dem Werkstoff jedoch noch skeptisch gegenüber. Der Grund ist offensichtlich: Keramik ist spröde. Zwar gibt es durchaus Keramiken, die ähnlich viel aushalten wie Stahl. Verarbeitet man diese allerdings zu einer Schraube, bleiben schätzungsweise nur rund 10 bis 20 Prozent der ursprünglichen Tragkraft übrig. Wieviel Last sie tatsächlich tragen können, wussten die Schraubenhersteller bislang nicht.

Schraubenprüfstand für Härtetests

Forscher am IWM in Freiburg widmen sich mit einem Schraubenprüfstand und Simulationen dieser Frage – gemeinsam mit ihren Kollegen des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden und dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der TU Berlin. »Wir testen verschiedene Keramikschrauben und überprüfen, wie viel sie wirklich aushalten«, erläutert Koplin. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung AiF.

Zudem optimieren die Wissenschaftler das Schraubendesign. So liegt eine der Herausforderungen darin, dass die Belastbarkeit bei gleich gebauten Keramikschrauben stark variiert: Während die eine viel aushält, bricht die andere bereits deutlich früher. Die Schrauben dürfen daher nur so weit belastet werden, dass auch die Schwächsten unter ihnen durchhalten. Der Grund für diese Unterschiede liegt im Aufbau der Keramik: Der Werkstoff besteht aus vielen kleinen Körnern. Verbinden sich diese bei der Herstellung nicht richtig miteinander, entsteht ein kleiner Riss, der schließlich zum Bruch führen kann.

Die Forscher haben den gesamten Herstellungsprozess nun so optimiert, dass in keinem der zahlreichen Bearbeitungsschritte solche Risse entstehen. »Wir konnten die Streuung deutlich reduzieren und damit die Belastungsgrenze der Schrauben erhöhen«, sagt Koplin. Besonders viel Potenzial für Verbesserungen sieht Koplin im letzten Arbeitsschritt, der dem Schraubengewinde eine Form verleiht – sei es über das Spritzgießen oder das Schleifen. Inzwischen können sich Schraubenhersteller an das IWM wenden und sich vom Projektteam beraten lassen, welches Design für die angestrebte Schraubenbelastung gut ist und wie der ideale Herstellungsprozess aussehen sollte.

In ihrem Prüfstand haben die Forscher auch selbst hergestellte Keramikschrauben getestet. Das Besondere an diesen Lösungen: Sie haben etwa 30 bis 35 Prozent der Tragkraft von gleich gestalteten Pendants aus Stahl. »Das ist ein großer Sprung nach vorne«, sagt Koplin. »Für viele Anwendungen würde diese Tragkraft bereits ausreichen, wenn man die Schraube etwas größer auslegt.«

Dr.-Ing. Christof Koplin | Fraunhofer Forschung Kompakt
Weitere Informationen:
http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2014/Mai/keramikschrauben_korrosions_und_hitzebestaendig.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Poseidon goes Politics – Wer oder was regiert die Ozeane?

27.02.2017 | Veranstaltungen

Fachtagung Rapid Prototyping 2017 – Innovationen in Entwicklung und Produktion

27.02.2017 | Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Herz-Untersuchung: Kontrastmittel sparen mit dem Mini-Teilchenbeschleuniger

27.02.2017 | Medizintechnik

Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wenn der Schmerz keine Worte findet - Künstliche Intelligenz zur automatisierten Schmerzerkennung

27.02.2017 | Medizintechnik