Entwicklung einer Keramikschraube

Projektübersicht

Im Rahmen einer gemeinsamen Entwicklungsarbeit mit einer Forschungseinrichtung entwickelten wir Schrauben mit asymmetrischem Flankengewinde und setzten diese über eine kombinierte Prozesskette aus additiver Fertigung und keramischer Verarbeitung um. Im Fokus stand dabei keine Serienentwicklung, sondern eine gezielte experimentelle Untersuchung neuartiger Gewindegeometrien und Fertigungsansätze.

Ausgangssituation & Zielsetzung

Konventionelle Gewindeprofile basieren in der Regel auf symmetrischen Flanken und sind für standardisierte Anwendungen optimiert. Für weiterführende technische Fragestellungen – insbesondere im Bereich der Kraftübertragung und Verschleißoptimierung – bieten diese jedoch nur begrenzte Möglichkeiten zur Variation.

Technische Zielsetzung

Ziel des Projekts war es daher, ein asymmetrisches Flankengewinde unter realen Bedingungen zu analysieren und dessen Verhalten hinsichtlich Kraftverteilung, Kontaktzonen und mechanischer Belastbarkeit zu untersuchen.

Im Mittelpunkt standen dabei:

• die gezielte Beeinflussung von Kraftflüssen durch asymmetrische Flankenwinkel
• die Analyse der Kontaktmechanik zwischen den Gewindegängen
• die Bewertung von Spannungsverläufen und potenziellen Verschleißzonen
• die experimentelle Validierung einer komplexen Geometrie in Keramik

Ein Serienprodukt war ausdrücklich nicht vorgesehen – vielmehr diente das Projekt als technische Test- und Forschungsplattform.

Entwicklung & Umsetzung

Gewindegeometrie & Flankenprofil

Die Gewindegeometrie wurde gezielt asymmetrisch ausgelegt, wobei die tragende Flanke steiler gestaltet wurde, um axiale Kräfte effizient aufzunehmen. Die gegenüberliegende Flanke wurde hingegen flacher ausgeführt, um Reibungseffekte zu reduzieren und eine definierte Entlastung zu ermöglichen.

Diese Geometrie erlaubt eine gerichtete Kraftübertragung und bietet die Grundlage für eine differenzierte Analyse des mechanischen Verhaltens unter Last. Zusätzlich wurden Übergangsradien und Flankenverläufe bewusst so gestaltet, dass Kerbspannungen reduziert und lokale Spannungsspitzen minimiert werden.

Additive Fertigung als Entwicklungswerkzeug

Zur präzisen Umsetzung der komplexen Geometrie wurde die Form zunächst mittels 3D-Druck aus Kunststoff gefertigt. Dieses Vorgehen ermöglichte eine exakte Abbildung der filigranen Gewindestrukturen und bot gleichzeitig die notwendige Flexibilität für iterative Anpassungen im Entwicklungsprozess.

Keramische Weiterverarbeitung

Im nächsten Schritt wurde die gedruckte Form mit keramischem Material befüllt und anschließend in einem Ofenprozess ausgebrannt. Dabei wurde das Kunststoffmaterial entfernt, sodass ein keramisches Bauteil mit der zuvor definierten Geometrie entstand.

Ein wesentlicher Aspekt war hierbei die Berücksichtigung von Schrumpfungsprozessen während des Brennens, um die Maßhaltigkeit und Funktionalität der Gewindestruktur sicherzustellen.

Ergebnis

Das Ergebnis der Entwicklungsarbeit ist ein funktionsfähiges, keramisches Testbauteil mit hochpräzise umgesetztem asymmetrischem Flankengewinde. Dieses dient als Grundlage für weiterführende Analysen und Bewertungen im Hinblick auf Kraftübertragung, Verschleißverhalten und strukturelle Integrität.

Das Projekt zeigt, wie additive Fertigung gezielt als Werkzeug in der Forschung eingesetzt werden kann, um komplexe Geometrien schnell und präzise zu realisieren und damit neue technische Ansätze unter realen Bedingungen zu untersuchen.

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