Ga naar hoofdinhoud

Corrosie- en hittebestendige keramische bouten

Een nieuw ontworpen keramische rekbout constructie met 4 mm diameter wordt getest op belastbaarheid. (foto: Fraunhofer IWM)

Bouten zijn meestal van staal. Sterke hitte en zuren tasten dit normaal gesproken stabiele materiaal behoorlijk aan. Een alternatief: keramische bouten. Onderzoekers van het Duitse Fraunhofer IWM kunnen precies voorspellen welke belastingen ze aankunnen.

Even niet opletten en prompt struikelt men over de rand van een stoep. De diagnose: gecompliceerde beenbreuk. Om te zorgen dat het bot weer op de juiste manier aan elkaar groeit, plaatst de arts over de breuk platen. Als ze voor de bevestiging metalen schroeven gebruiken, kan dit mogelijk tot problemen leiden. Veel medici geven daarom de voorkeur aan keramische bouten. Datzelfde geldt voor implantaten voor de lange termijn: als deze metalen en daardoor magnetiseerbare stoffen bevatten, al zijn het maar mini-schroeven, dan is daardoor een diagnose zoals computer- of magneto-resonantie-tomografie onmogelijk.

Ook buiten het ziekenhuis zouden keramische schroeven een goed alternatief kunnen zijn voor chemische, elektrische en thermische toepassingen. Ze zijn elektrisch isolerend en vertragen de inwerking van zuren en logen. Bovendien zijn ze bestand tegen temperaturen van meer dan 1000 °C. Hun metalen tegenhangers zullen bij circa 500 °C zacht worden.

Zwakste schakel bepaald

In een oven, waar hoge temperaturen heersen, bestaan de meeste onderdelen al uit keramiek, behalve de schroeven. “Het zwakste materiaal beperkt echter de toepassing. Dat betekent, dat de temperatuur niet hoger mag zijn dan de schroeven toelaten”, zegt Christof Koplin, van het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. “Met de keramische schroeven zou men de technische vooruitgang richting keramiek eindelijk volledig tot stand brengen”.

Producenten hebben echter nog bedenkingen ten opzichte van dit materiaal. De reden is duidelijk: keramiek is broos. Er bestaan weliswaar al keramische materialen, die evenveel kunnen doorstaan als staal. Maar als deze tot schroeven worden verwerkt, dan blijft volgens schattingen met 10-20% van de oorspronkelijke trekkracht over. De schroevenproducent wist tot nog toe niet tot hoe ver ze daadwerkelijk zouden kunnen worden belast.

Testbank voor duurttest

Onderzoekers van het IWM in Freiburg houden zich bezig met een testbank voor bouten en simulaties over deze vraag, samen met hun collega’s van het Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden en het Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF van de TU Berlijn. “Wij testen verschillende keramische bouten en controleren, hoeveel ze daadwerkelijk kunnen doorstaan”, verduidelijkt Koplin. Het project wordt gefinancierd door het ministerie van economie en energie BMWi en de Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung AiF.

De wetenschappers optimaliseren bovendien het ontwerp van de schroef. Een van de uitdagingen levert het feit, dat de belastbaarheid bij twee op dezelfde manier opgebouwde keramische schroeven sterk varieert. Terwijl de ene veel doorstaat, breekt de andere al beduidend vroeger. De schroeven mogen daarom maar zo zwaar belast worden als de zwakste exemplaren toelaten. De reden voor deze verschillen ligt in de opbouw van keramiek: het materiaal bestaat uit veel kleine korreltjes. Als ze tijdens de productie niet goed met elkaar verbinden, ontstaat er een kleine scheur, die uiteindelijk leidt tot een breuk.

Ontwerp schroefdraad verbeterd

De onderzoekers hebben nu het totale productieproces zodanig geoptimaliseerd, dat er in geen enkele van de talrijke bewerkingsstappen dergelijke scheurtjes ontstaan. “We zijn in staat om de verschillen beduidend te reduceren en daarmee de belastbaarheid van de bouten te verhogen”. De laatste processtap biedt nog veel potentie voor verbeteringen, want daar wordt vorm gegeven aan de schroefdraad, of door spuitgieten of door slijpen. Inmiddels kunnen de boutfabrikanten zich wenden tot het IWM en raad vragen aan het projectteam voor het juiste ontwerp voor de verwachte boutbelasting en het ideale productieproces.

Op de testbank hebben de onderzoekers ook zelf geproduceerde keramische bouten getest. Het bijzondere van deze oplossingen: ze hebben ongeveer 30-35% van de trekkracht van stalen tegenhangers van gelijk formaat. “Het is een flinke stap naar voren, omdat voor veel toepassingen deze krachten al voldoende zijn, als men de bout iets groter maakt”, zegt Koplin.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven