Schwingungsdämpfung mit partikelgefüllten Hohlkugeln

Das Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung der Dämpfungsmechanismen partikelgefüllter Hohlkugelstrukturen und die Charakterisierung ihres Dämpfungsvermögens, um werkstoffgerechte Konstruktionen zur Schwingungsdämpfung zu ermöglichen. Seit die Reduktion der Masse bewegter Baugruppen zur Reduktion des Energieverbrauchs von Maschinen in den Fokus der Entwicklung im Maschinenbau gerückt ist, und gleichzeitig der Anspruch an die Genauigkeit und Oberflächengüte der zu fertigenden Bauteile steigt, hat sich die Dämpfung mechanischer Schwingungen von einem dem Komfort dienenden Thema zu einer essentiellen Aufgabe vor allem in der Konstruktion von Werkzeugmaschinen gewandelt. In der Literatur werden viele Verfahren zur aktiven, semiaktiven und passiven Dämpfung mechanischer Schwingungen diskutiert. Industriell etabliert haben sich bisher hauptsächlich Verfahren, die auf der Dämpfung im Gefüge der Werkstoffe beruhen. Zur Aktivierung der Dämpfungsmechanismen im Gefüge ist immer eine Verformung des Werkstoffs notwendig. Die in der Arbeit untersuchten partikelgefüllten Hohlkugeln dagegen ermöglichen eine Starrkörperdämpfung. Ausgehend von der Erfahrung, dass eine fallen gelassene partikelgefüllte Hohlkugel kaum oder gar nicht hüpft, wurde ein Verfahren zur Messung der Dämpfungsfähigkeit von Einzelkugeln entwickelt. Es wurden die Parameter der partikelgefüllten Hohlkugeln identifiziert, die durch ihre Veränderung Rückschlüsse auf deren Dämpfungswirkung erwarten ließen. Von den Eigenschaften der Partikel, über technologische Messungen an den Pulvern, die Messung des Dämpfungsvermögens der Einzelkugel und der Dämpfung von Probekörpern bis hin zum Einsatz im Frässchlitten einer Beispielmaschine wurde das Dämpfungsverhalten des realen Werkstoffs untersucht. Durch die Abschätzungen anhand eines Modellsystems wurde eine vertiefte Vorstellung der in den partikelgefüllten Hohlkugeln ablaufenden Vorgänge erreicht. Anhand eines Frässchlittens einer Beispielmaschine konnte die Schwingungsdämpfung im Leichtbau nachgewiesen werden.:1 Einleitung 5 2 Literatur und Stand der Technik 7 2.1 Dämpfung mechanischer Schwingungen 7 2.1.1 Begriffsbestimmungen 7 2.1.2 Dämpfung im Gefüge von Werkstoffen 9 2.1.3 Besonderheiten der Dämpfung in zellularen metallischen Werkstoffen (ZMW) 13 2.1.4 Dämpfung durch Reibung zwischen Bauteilen 15 2.1.5 Modelluntersuchungen an Schlag- und Partikeldämpfern 15 2.1.6 Reibung in Pulvern und Schüttgütern 21 2.2 Kombination von Leichtbau und Schwingungsdämpfung im Maschinenbau 29 2.2.1 Notwendigkeit und Potential 29 2.2.2 Sandwichbauweise 29 2.3 Technologie 35 2.3.1 Herstellung ungefüllter Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen 35 2.3.2 Herstellung gefüllter Hohlkugeln im Labormaßstab 37 3 Ziel der vorliegenden Arbeit 39 4 Methoden 41 4.1 Probenherstellung 41 4.1.1 Ausgangsmaterialien 41 4.1.2 Beschichtung 42 4.1.3 Entbinderung und Sinterung 43 4.1.4 Partikelgefüllte keramische Hohlkugeln 44 4.1.5 Herstellung von Probekörpern 45 4.2 Charakterisierungsmethoden 47 4.2.1 Pulvercharakterisierung 47 4.2.2 Dämpfung von Einzelkugeln 52 4.2.3 Resonanzfrequenz – Dämpfungsanalyse (RFDA) 54 5 Ergebnisse 58 5.1 Partikelbewegung in gefüllten Hohlkugeln 58 5.2 Dämpfungspulver 61 5.2.1 Partikelform 61 5.2.2 Partikelgrößenverteilung 62 5.2.3 Pulverdichten 64 5.2.4 Veränderung der Partikeloberfläche 66 5.3 Dämpfung bei geringem Energieeintrag 67 5.4 Dämpfung der Partikel bei hohem Energieeintrag 69 5.4.1 Einfluss der Hausnerzahl 69 5.4.2 Einfluss der Fähigkeit zur Fluidisierung 71 5.4.3 Abhängigkeit vom Masseverhältnis 75 5.4.4 Abhängigkeit von der Partikelgröße 76 5.4.5 Abhängigkeit von der spezifischen Oberfläche 78 5.4.6 Abhängigkeit von der Kugelschale 79 5.5 Dämpfung von Bauteilen 81 5.5.1 Dämpfung von Probekörpern in Abhängigkeit von der Dämpfung der Einzelkugeln 81 5.5.2 Dämpfung von Probekörpern in Abhängigkeit vom Masseverhältnis Partikel – Probekörper 83 5.5.3 Volumenanteil der Einzelkugeln im Probekörper 84 5.5.4 Dämpfung in Abhängigkeit von der Anzahl der Dämpfungszentren 85 6 Diskussion 87 6.1 Analyse der Bewegungszustände der Partikel 87 6.2 Analyse der wirkenden Kräfte 89 6.3 Modellierung der Dämpfung 93 6.4 Folgerungen aus dem Modell 94 6.5 Vergleich mit experimentellen Ergebnissen 98 6.5.1 Energiedissipation im Pulverbett 99 6.5.2 Fluidisierung des Pulverbettes 100 6.5.3 Gasartige Partikelbewegung 102 6.5.4 Füllgrad 103 6.5.5 Dämpfung im Verbundwerkstoff 106 6.6 Abschätzungen zur Bauteildämpfung 108 6.7 Anwendungsbeispiel Frässchlitten 109 6.7.1 Technische Ergebnisse 109 6.7.2 Kostenabschätzung im Manufakturbetrieb 113 7 Zusammenfassung 117 8 Danksagung 120 9 Anhang 122 9.1 Literaturverzeichnis 122 9.2 Berechnungen 130 9.2.1 Berechnung der Stoßzahl 130 9.2.2 Partikeloberfläche pro Hohlkugel 130 9.2.3 Füllgrad von Einzelkugeln 132 9.3 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole 135 9.4 Verzeichnis der Abbildungen 13

Schwingungsdämpfung mit partikelgefüllten Hohlkugeln

Das Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung der Dämpfungsmechanismen partikelgefüllter Hohlkugelstrukturen und die Charakterisierung ihres Dämpfungsvermögens, um werkstoffgerechte Konstruktionen zur Schwingungsdämpfung zu ermöglichen. Seit die Reduktion der Masse bewegter Baugruppen zur Reduktion des Energieverbrauchs von Maschinen in den Fokus der Entwicklung im Maschinenbau gerückt ist, und gleichzeitig der Anspruch an die Genauigkeit und Oberflächengüte der zu fertigenden Bauteile steigt, hat sich die Dämpfung mechanischer Schwingungen von einem dem Komfort dienenden Thema zu einer essentiellen Aufgabe vor allem in der Konstruktion von Werkzeugmaschinen gewandelt. In der Literatur werden viele Verfahren zur aktiven, semiaktiven und passiven Dämpfung mechanischer Schwingungen diskutiert. Industriell etabliert haben sich bisher hauptsächlich Verfahren, die auf der Dämpfung im Gefüge der Werkstoffe beruhen. Zur Aktivierung der Dämpfungsmechanismen im Gefüge ist immer eine Verformung des Werkstoffs notwendig. Die in der Arbeit untersuchten partikelgefüllten Hohlkugeln dagegen ermöglichen eine Starrkörperdämpfung. Ausgehend von der Erfahrung, dass eine fallen gelassene partikelgefüllte Hohlkugel kaum oder gar nicht hüpft, wurde ein Verfahren zur Messung der Dämpfungsfähigkeit von Einzelkugeln entwickelt. Es wurden die Parameter der partikelgefüllten Hohlkugeln identifiziert, die durch ihre Veränderung Rückschlüsse auf deren Dämpfungswirkung erwarten ließen. Von den Eigenschaften der Partikel, über technologische Messungen an den Pulvern, die Messung des Dämpfungsvermögens der Einzelkugel und der Dämpfung von Probekörpern bis hin zum Einsatz im Frässchlitten einer Beispielmaschine wurde das Dämpfungsverhalten des realen Werkstoffs untersucht. Durch die Abschätzungen anhand eines Modellsystems wurde eine vertiefte Vorstellung der in den partikelgefüllten Hohlkugeln ablaufenden Vorgänge erreicht. Anhand eines Frässchlittens einer Beispielmaschine konnte die Schwingungsdämpfung im Leichtbau nachgewiesen werden.:1 Einleitung 5 2 Literatur und Stand der Technik 7 2.1 Dämpfung mechanischer Schwingungen 7 2.1.1 Begriffsbestimmungen 7 2.1.2 Dämpfung im Gefüge von Werkstoffen 9 2.1.3 Besonderheiten der Dämpfung in zellularen metallischen Werkstoffen (ZMW) 13 2.1.4 Dämpfung durch Reibung zwischen Bauteilen 15 2.1.5 Modelluntersuchungen an Schlag- und Partikeldämpfern 15 2.1.6 Reibung in Pulvern und Schüttgütern 21 2.2 Kombination von Leichtbau und Schwingungsdämpfung im Maschinenbau 29 2.2.1 Notwendigkeit und Potential 29 2.2.2 Sandwichbauweise 29 2.3 Technologie 35 2.3.1 Herstellung ungefüllter Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen 35 2.3.2 Herstellung gefüllter Hohlkugeln im Labormaßstab 37 3 Ziel der vorliegenden Arbeit 39 4 Methoden 41 4.1 Probenherstellung 41 4.1.1 Ausgangsmaterialien 41 4.1.2 Beschichtung 42 4.1.3 Entbinderung und Sinterung 43 4.1.4 Partikelgefüllte keramische Hohlkugeln 44 4.1.5 Herstellung von Probekörpern 45 4.2 Charakterisierungsmethoden 47 4.2.1 Pulvercharakterisierung 47 4.2.2 Dämpfung von Einzelkugeln 52 4.2.3 Resonanzfrequenz – Dämpfungsanalyse (RFDA) 54 5 Ergebnisse 58 5.1 Partikelbewegung in gefüllten Hohlkugeln 58 5.2 Dämpfungspulver 61 5.2.1 Partikelform 61 5.2.2 Partikelgrößenverteilung 62 5.2.3 Pulverdichten 64 5.2.4 Veränderung der Partikeloberfläche 66 5.3 Dämpfung bei geringem Energieeintrag 67 5.4 Dämpfung der Partikel bei hohem Energieeintrag 69 5.4.1 Einfluss der Hausnerzahl 69 5.4.2 Einfluss der Fähigkeit zur Fluidisierung 71 5.4.3 Abhängigkeit vom Masseverhältnis 75 5.4.4 Abhängigkeit von der Partikelgröße 76 5.4.5 Abhängigkeit von der spezifischen Oberfläche 78 5.4.6 Abhängigkeit von der Kugelschale 79 5.5 Dämpfung von Bauteilen 81 5.5.1 Dämpfung von Probekörpern in Abhängigkeit von der Dämpfung der Einzelkugeln 81 5.5.2 Dämpfung von Probekörpern in Abhängigkeit vom Masseverhältnis Partikel – Probekörper 83 5.5.3 Volumenanteil der Einzelkugeln im Probekörper 84 5.5.4 Dämpfung in Abhängigkeit von der Anzahl der Dämpfungszentren 85 6 Diskussion 87 6.1 Analyse der Bewegungszustände der Partikel 87 6.2 Analyse der wirkenden Kräfte 89 6.3 Modellierung der Dämpfung 93 6.4 Folgerungen aus dem Modell 94 6.5 Vergleich mit experimentellen Ergebnissen 98 6.5.1 Energiedissipation im Pulverbett 99 6.5.2 Fluidisierung des Pulverbettes 100 6.5.3 Gasartige Partikelbewegung 102 6.5.4 Füllgrad 103 6.5.5 Dämpfung im Verbundwerkstoff 106 6.6 Abschätzungen zur Bauteildämpfung 108 6.7 Anwendungsbeispiel Frässchlitten 109 6.7.1 Technische Ergebnisse 109 6.7.2 Kostenabschätzung im Manufakturbetrieb 113 7 Zusammenfassung 117 8 Danksagung 120 9 Anhang 122 9.1 Literaturverzeichnis 122 9.2 Berechnungen 130 9.2.1 Berechnung der Stoßzahl 130 9.2.2 Partikeloberfläche pro Hohlkugel 130 9.2.3 Füllgrad von Einzelkugeln 132 9.3 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole 135 9.4 Verzeichnis der Abbildungen 13

Attenuation of vibrations with particle filled hollow sphere structures: Presentation held at 5th International Conference on Cellular Materials, CellMAT 2018, 24 - 26 October 2018, Bad Staffelstein, Germany

Noise vibration harshness (NVH) is an important issue in mechanical engineering and vehicle construction, since such vibrations have an impact on the precision and lifetime of machines or the comfort of vehicles. Thus, attenuation is needed, which is typically related with increased masses or enormous technical efforts. In order to reduce the mass of vibrational damping elements, in the present work a new approach of passive attenuation has been proposed. In this approach internal cavities filled with bulk powder has been used in order to dissipate vibrational energy. Therefore, ultralight metal materials have been realized by steel hollow sphere structures filled with ceramic powder. This technology allows attenuation values up to 0.2, which exceeds conventional polymers by a factor 10 and aluminium foams by a factor 100. Furthermore, an analytical model has been introduced, which correlates the relevant excitation frequency and vibration amplitudes with the material design parameters. Finally, the ultrahigh damping material has been applied in a milling slide in order to increase the milling precision of the component. This has been constructively implemented by welded sandwiches, which consist of particle filled steel hollow sphere structures acting as core layer. As a result, the attenuation of the milling slide has been improved by a factor 5 in comparison to the original construction

Experimental and Numerical Evaluation of the Mechanical Behavior of Strongly Anisotropic Light-Weight Metallic Fiber Structures under Static and Dynamic Compressive Loading

Rigid metallic fiber structures made from a variety of different metals and alloys have been investigated mainly with regard to their functional properties such as heat transfer, pressure drop, or filtration characteristics. With the recent advent of aluminum and magnesium-based fiber structures, the application of such structures in light-weight crash absorbers has become conceivable. The present paper therefore elucidates the mechanical behavior of rigid sintered fiber structures under quasi-static and dynamic loading. Special attention is paid to the strongly anisotropic properties observed for different directions of loading in relation to the main fiber orientation. Basically, the structures show an orthotropic behavior; however, a finite thickness of the fiber slabs results in moderate deviations from a purely orthotropic behavior. The morphology of the tested specimens is examined by computed tomography, and experimental results for different directions of loading as well as different relative densities are presented. Numerical calculations were carried out using real structural data derived from the computed tomography data. Depending on the direction of loading, the fiber structures show a distinctively different deformation behavior both experimentally and numerically. Based on these results, the prevalent modes of deformation are discussed and a first comparison with an established polymer foam and an assessment of the applicability of aluminum fiber structures in crash protection devices is attempted