Landtechnische Maschinen sind verschiedenen Belastungen ausgesetzt. Dazu gehören zyklische Betriebslasten, die durch wiederholte Nutzung entstehen, abrasiver Verschleiß, der durch Reibung und Abnutzung auftritt sowie Korrosion, die durch chemische Reaktionen mit der Umgebung verursacht wird. Ihre Wechselwirkungen sind komplex und hängen stark von dem jeweiligen Einsatzgebiet ab. Ein Beispiel für eine Wechselwirkung zwischen zyklischen Betriebslasten und abrasivem Verschleiß bei Landmaschinen ist der Einsatz von Pflügen oder Eggen. Während des Betriebs erfährt die Maschine zyklische Belastungen durch das Eindringen in den Boden, das Anheben und Absenken der Arbeitsorgane (z.B. der Mähmesser) sowie durch die unterschiedlichen Bodenverhältnisse. Diese zyklischen Lasten können zu einer erhöhten Abnutzung der Verschleißteile führen, insbesondere wenn der Boden steinig oder sehr hart ist.
Der abrasive Verschleiß tritt auf, wenn die Bodenpartikel an den Oberflächen der Arbeitsorgane reiben, was zu Materialabtrag führt. Wenn die zyklischen Lasten hoch sind, kann dies die Kontaktkräfte zwischen den Bodenpartikeln und den Arbeitsorganen erhöhen, was den abrasiven Verschleiß verstärkt. Umgekehrt kann ein übermäßiger Verschleiß die Effizienz der Maschine beeinträchtigen, was zu einer erhöhten Belastung und damit zu einer weiteren Verschleißentwicklung führt.
Um die Vorteile von hochfesten Baustählen, für die Herstellung von leichtbauoptimierten Bauteilen in der Landwirtschaft besser zu nutzen, arbeiten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen an der RWTH Aachen University – Lehrstuhl und Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) und der Hochschule Osnabrück – Labor für Mechanik und Messtechnik (LMM) sowie Labor für Materialdesign und Werkstoffzuverlässigkeit (MuW) zusammen. Im Projekt sollen bestehende Baustähle so verbessert werden, dass sie eine gleichmäßigere und widerstandsfähigere Mikrostruktur aufweisen. Ein spezifisches Vorhaben ist das Erreichen einer gleichmäßigen martensitischen Struktur, d.h. eine Struktur, die sich durch eine große Zugfestigkeit und Härte auszeichnet. Diese soll eine hohe Grundfestigkeit sowie einen hohen Kaltverfestigungsgrad aufweisen. Zusätzlich wird der Einsatz von lufthärtenden martensitischen Stählen untersucht, die sich durch optimierten Ablauf von Arbeitsschritten auszeichnen.
Anhand eines Demonstrators werden die während des Feldeinsatzes auftretenden Beanspruchungen am Demonstrator messtechnisch untersucht. Mit Hilfe der modernen Simulationsmethoden, mit denen sich die Beanspruchungen komplexer mechanischer Strukturen berechnen lassen, wird untersucht, wie der Demonstrator auf verschiedene Belastungen reagiert, um die Beanspruchungen aus dem Feldeinsatz realitätsnah nachzubilden. Mit diesen Informationen kann dann das Design des Demonstrators lastpfadgerecht optimiert werden – sowohl in Bezug auf die Form (Shape-Optimierung) als auch auf die Anordnung des Materials (Topologie-Optimierung). Dadurch kann das Gewicht des Demonstrators erheblich reduziert werden, was ihn effizienter und leistungsfähiger macht. Um sicherzustellen, dass die Festigkeit des Demonstrators auch unter realen Bedingungen gewährleistet ist, werden Betriebsfestigkeitsversuche durchgeführt. Dazu werden auf einem Hydropuls-Prüfstand auf den Demonstrator die im Feldeinsatz auftretenden Belastungen aufgebracht, um die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des optimierten Demonstrators nachzuweisen.
Die Materialien und Verfahren, die im Labor entwickelt wurden, werden im Laufe des Projekts in der industriellen Fertigung umgesetzt. Nach der Herstellung werden die neuen Demonstratoren unter realen Bedingungen eingesetzt, um herauszufinden, wie gut sie sich bewähren. Dabei stehen besonders zwei Aspekte im Fokus: die Verschleißbeständigkeit und die Dauerfestigkeit, die angibt, wie lange das Bauteil unter wiederholter Belastung funktionsfähig bleibt. Diese Tests helfen, die neuen Materialien und Verfahren weiter zu verbessern und sicherzustellen, dass sie in der Praxis zuverlässig sind.
Das Forschungsprojekt leistet einen entscheidenden Beitrag, die Effizienz, die Nachhaltigkeit und die Wirtschaftlichkeit in der Landtechnik zu verbessern. Darüber hinaus dient der Einsatz von Leichtbaumethoden dazu, die Herausforderungen, wie der Reduktion von CO₂, zu meistern, denen KMU ausgesetzt sind.
Das Projekt wird im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. (Förderkennzeichen 01IF21733N).
