Material Innovativ 2011
Nachbericht
Material Innovativ 2011 - Schlüsseltechnologien in der Wissenschaftsstadt Fürth
- Jahressymposium des Clusters Neue Werkstoffe zu Gast in Fürth
- Neueste Entwicklungen bei Funktionsmetallen und funktionalen Werkstoffverbunden
- Nachhaltigkeit und Kooperation als Schlüsselthemen
Innovationen mit Neuen Materialien stehen derzeit ganz im Zeichen von Effizienz und Nachhaltigkeit in der gesamten Wertschöpfungskette - von der Materialerzeugung über deren Verarbeitung, die Nutzungsphase im Bauteil bis hin zum Recycling und der Wiederverwertung. Anforderungen hierzu kommen aus den Anwenderbranchen wie dem Automobilbau, der Luft- und Raumfahrt oder der Energietechnik.
Vor diesem Hintergrund fand am 24. Februar das zehnte Symposium ‚Material Innovativ‘ statt. Der Kongress wurde von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Clusters Neue Werkstoffe in Partnerschaft mit den Clustern Automotive, Energietechnik sowie Luft- und Raumfahrt ausgerichtet und erfuhr die umfassende Unterstützung durch das bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie. Rund 330 Teilnehmer und 35 Aussteller aus der Werkstoffentwicklung und den verschiedensten Anwenderbranchen kamen in die Fürther Stadthalle, um interessanten Fachbeiträgen beizuwohnen, Kontakte zu knüpfen und zu vertiefen und sich im Rahmen der Fachausstellung über neueste Produkte und Angebote aus dem Umfeld der Werkstofftechnologien zu informieren.
Die Wissenschaftsstadt Fürth bot hierzu einen idealen Rahmen, wie auch Dr. Thomas Jung, Oberbürgermeister der Stadt Fürth, in seinen Grußworten ausführte. „Der Strukturwandel in der Region hat mit der Nutzung des ehemaligen Betriebsgeländes eine Elektronikkonzernes durch das Zentralinstitut für Materialien und Prozesstechnik der Universität Erlangen-Nürnberg, die Fraunhofer Gesellschaft und die Neue Materialien Fürth GmbH gezeigt, wie sich nachhaltig neue Arbeitsplätze schaffen lassen", so Jung. In einer Region, die geprägt ist vom produzierenden Gewerbe, sind die Einrichtungen der anwendungsnahen Entwicklung und des Wissenstransfers von essentieller Bedeutung.
„Der Cluster Neue Werkstoffe bietet auch global tätigen Unternehmen hervorragende Impulse und ist eine wertvolle Plattform zur Unterstützung der bayerischen Unternehmen", führte Walter Kurz, Geschäftsführender Gesellschafter der in Fürth ansässigen Leonhard Kurz Stiftung & Co. KG, aus. Als aktives Beiratsmitglied bringt sich die Firma Kurz seit Anfang der Initiative engagiert mit in den Cluster Neue Werkstoffe ein, wofür Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern innovativ GmbH, Walter Kurz herzlich dankte.
Die Initiative der Unternehmen ist ein wesentliches Element für die Sicherung des Innovationsvorsprunges der bayerischen Wirtschaft. „Mehr als 80% der F&E-Aufwendungen stammen aus den bayerischen Unternehmen", wie Dr. Ulrich Weishaupt, Leiter der Technologieförderung im bayerischen Wirtschaftsministerium, ausführte. „Politik sollte nicht in die Ausrichtung der Unternehmen eingreifen, sondern diese mit allen zur Verfügung stehenden Mitteln unterstützen und beraten." Gerade Bayern sei bei den Neuen Materialien ein Vorreiter und nutze die Chancen, welche innovative Werkstoffentwicklungen für den Strukturwandel böten. Denn nur so könne die Innovationsführerschaft Bayerns gehalten und ausgebaut werden.
Wie durch zielgerichteten Technologie- und Wissenstransfer in Netzwerken Innovationen gefördert werden können, erläuterte Prof. Dr. Josef Nassauer im Anschluß dem vollbesetzten Auditorium. „Werkstoffe sind Enabler für neue Produkte und Technologien. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass die Forschung und Entwicklung an den Bedarfen der Industrie ausgerichtet wird und ihre Ideen passgenau einbringen kann. Dieses Ziel wird mit den Technologieplattformen der Bayern Innovativ GmbH erreicht.", so Prof. Nassauer. Hervorragendes Beispiel hierfür seien das Programm und die Teilnehmerstruktur des Symposiums. Die Teilnehmer kamen aus allen Bereichen der werkstoffspezifischen Wertschöpfungsketten, aus dem Automobilbau, der Energietechnik, der Luf- und Raumfahrt sowie zahlreichen weiteren Anwenderbranchen wie dem Maschinenbau, der Medizintechnik bis hin zur Verpackungsindustrie und Herstellern von Consumer Produkten.
Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:
- Trends mit Neuen Materialien im Automobilbau, der Energietechnik sowie der Luft- und Raumfahrt
- Neue Konzepte mit Funktionsmetallen
- Intelligent kombiniert - der richtige Werkstoff an der richtigen Stelle
Trends mit Neuen Materialien im Automobilbau, der Energietechnik sowie der Luft- und Raumfahrt
Welchen essentiellen Input die Forschung für Innovationen mit Neuen Materialien liefern kann, erläuterte Prof. Dr. Robert F. Singer, Inhaber des Lehrstuhls Werkstoffkunde und Technologie der Metalle der Universität Erlangen-Nürnberg, Geschäftsführer der Neue Materialien Fürth GmbH und Sprecher des Clusters Neue Werkstoffe. Die Herausforderung, „grüner" zu werden, also Energieverbrauch und Emissionen zu reduzieren sowie die vorhandenen Ressourcen effizienter zu nutzen, seien wesentliche Treiber für die Entwicklung neuer Technologien und Werkstoffe.
„Der Einsatz von Spitzgußtechnologien aus dem Kunststoffbereich in der Metallwelt wird schon seit 10 Jahren betrieben. Jetzt sind wir an dem Punkt angelangt, diese Technologie industriell einsetzbar zu machen und Vorteile in Bezug auf Energie- und Resourceneffizienz umfassend zu nutzen", so Prof. Singer. Weiterhin seien mit der neuen Technologie auch dünnwandige Bauteilgeometrien und niedrigere Porositäten darstellbar.
Des weiteren stellte Prof. Singer mit dem Projekt FITHybrid eine innovative Faserverbundtechnik vor, welche die Neue Materialien Fürth GmbH gemeinsam mit industriellen und wissenschaftlichen Partnern entwickelt hat. Hierbei wird die Prozesstechnik des Spitzpressens eingesetzt, um komplexe Faserverbundbauteile in kurzen Zykluszeiten zu erhalten. Durch eine geschickte Prozessführung können hierbei leichte Hohlraumstrukturen in einem Arbeitsschritt erzeugt werden. Das Projekt wurde mit dem NoAE Award 2010 und dem JEC Award 2011 ausgezeichnet du steht ebenfalls an der Schwelle zur Industrialisierung.
Dass sowohl Faserverbundwerkstoffe als auch Metalle wichtige Materialien für die Automobilindustrie darstellen, wurde im Vortrag von Prof. Dr. Horst E. Friedrich, Direktor des Institutes für Fahrzeugkonzepte des DLR, Stuttgart deutlich. Globale Herausforderungen wie die Verknappung der Wasser- und Ölreserven, die zunehmende Bevölkerungszahl und wachsende Urbanität, erfordern neue Mobilitätsansätze. Für den Fahrzeugbau sind hierbei der Leichtbau und die Effizienz wesentliche Elemente. Interessanterweise kommen dabei erstmals seit 100 Jahren auch wieder unterschiedliche Energieträger im Fahrzeug zum Einsatz wie Wasserstoff, fossile und elektrische Energieträger. Vor allem für die Elektromobilität werden wesentliche Herausforderungen in den Bereichen Antrieb und Ressourceneffizienz, Werkstoffe und Leichtbau liegen. Die ökonomische Zielgröße für die Batterietechnik liegt bei 250€/kWh, was eine Anhebung des Wirkungsgrades um 20% bedeuten würde. Dies sei allerdings noch sehr realitätsfern.
Im Leichtbau werden laut Prof. Friedrich kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe eine wichtige Rolle spielen, dies allerdings nicht flächendeckend. Zielführend ist vielmehr der bedarfsgerechte Einsatz, z.B. in hochbelasteten Bauteilen wie der B-Säule. Des weiteren werden Neue Materialien eine hohe Bedeutung für die Energiewandlung und das Themomanagement im Antriebsstrang erlangen.
Auch in der Luftfahrt sind die Zielsetzungen „leichter, schneller, grüner" von großer Wichtigkeit, wie Dr. Claudio Dalle Donne, EADS Innovation Works, ausführte. Im Vergleich zum Automobil, liegt das Einsparpotenzial in der Luftfahrt um den Faktor 10 höher. Somit kann der Gesamtausstoß an CO2 bei der Einsparung von einem Kilogramm Gewicht um 2000t gesenkt werden. Für die Entwicklung zukünftiger Werkstoffstrategien ist es daher unabdingbar, Materialien, Prozesse und Design als eine Einheit zu betrachten.
So wurden beim Composite-Rumpf des Airbus A350 zwar das Material und der Prozess geändert, nicht aber das Bauteil-Design (sogenanntes Black Metal Design), so daß die hervorragenden mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffes nur unzureichend ausgeschöpft werden. Welche Potenziale sich heben lassen, wenn alle drei Parameter berücksichtigt werden, zeigte Dr. Dalle Donne am Beispiel von AlMgSc Legierungen. So konnte hier eine bessere Schweißbarkeit erreicht, sowie durch Kriechumformung spannungsfreie Bleche erzeugt werden.
Für die Thematik „Grüner" spielen auch rechtliche Vorschriften wie die REACH Verordnung eine große Rolle. Hierzu gehört vor allem der chromatfreie Korrosionsschutz. Die Langzeitbeständigkeit von Bauteilen soll auf 65.000h erhöht werden. Gleichzeitig sind Chromate und Cadmium für eine Anodisierung nicht mehr verfügbar. Hierzu hat EADS ein vollkommen neues Verfahren für die Anodisierung entwickelt, dass auf Weinsäure anstelle von Chromsäure basiert und alle Anforderungen erfüllt.
Da Verbundbauteile aus Metall und CFK immer mehr Einzug in der Luftfahrt nehmen, werden auch hier neue Prozesse entwickelt, um ein umfassendes Multi-Material Design zu ermöglichen. Für Titan, ein CFK kompatibles Metall, müssen die Bauteile bisher aus dem Vollen gefräst werden. Dies hat einen 80% Ausschuss und somit sehr hohe Kosten zur Folge. Als Alternative bieten sich „Additive Layer Manufacturing" Verfahren an. Hierbei werden die Bauteile Schicht für Schicht, aus z.B. einem Pulverbett heraus, aufgebaut. Vorteile dieser Technik sind ihre flexible Einsetzbarkeit, der äußerst niedrige Ausschuss von weniger als 5% sowie und ein sehr großer Kosten- und Zeitvorteil.
Auch die Energiewirtschaft steht ganz im Kontext der oben genannten Megatrends. „Optimierung des Energiemixes, Effizienz in der Stromerzeugungskette und die Systemoptimierung, also die Smart Grids, sind derzeit die Schlagworte in der Energietechnik. Hierbei spielen neue Materialkonzepte einen eminent wichtige Rolle.", so Dr. Ulrich Bast, Corporate Technology, Siemens AG. So wäre die Rekordgasturbine in Irsching nicht möglich gewesen ohne neue Hochleistungswerkstoffe. Durch den Einsatz von ODS-Legierungen (Oxide Dispersion Strengthened) und einkristallinen Superlegierungen für die Schaufel im Zusammenspiel mit „Thermal Barrier Coatings", die ein dehnungstolerantes Verhalten zeigen, konnte ein „stand-alone" Wirkungsgrad von 40% und von 60% in Kombination mit einer Dampfturbine erreicht werden. Aufgrund der zu erwartenden zukünftigen Vielfalt von Energieträgern, beispielsweise dem Einsatz von Wasserstoff oder Kohlegas, sowie der zunehmend strengeren Emissionsrichtlinien für CO2 und NOx werden die Anforderungen an die Werkstoffe weiter steigern.
In der Solarthermie ist der Einsatz von Parabolrinnenkraftwerken eine erprobte Technik. Die Absorptionsgrade der Receiverrohre liegen heutzutage bei mehr als 96%. Werkstoffliche Fragestellungen gibt es im Bereich der Wärmeübertragungsmedien. Standard ist heute der Einsatz von Thermoölen, mit denen eine Temperatur von ca. 400°C erreicht werden kann. Um zukünftig zu höheren Temperaturen zu kommen, wird an dem Einsatz von Salzen als Wärmeträger gedacht. Hierdurch ergeben sich ganz andere Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe im Hinblick auf Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit.
In der Windenergietechnik müssen neben den Werkstoffen auch die Produktionsmethoden für Neue Materialien, insbesondere Faserverbundwerkstoffe, betrachtet werden. Für zukünftige Off-Shore Anlagen werden Rotorblätter mit einer Länge von 52m benötigt. Für die Realisierung sind Innovationen nicht nur im Leichtbau bei den Blättern sondern in der gesamten Wertschöpfungskette einschließlich der Fertigungstechnik notwendig.
Neue Konzepte mit Funktionsmetallen
- Metallische Werkstoffe mit hoher Funktionsintegration
- Antworten auf komplexe Markanforderungen und Megatrends
- Kooperation über die gesamte Prozesskette ermöglicht maßgeschneiderten Werkstoffeinsatz
Wie wichtig die Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette bei der Werkstoffentwicklung ist, hob Prof. Dr. Reinhold Ebner, Geschäftsführer, Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL) hervor.
Das MCL begreift sich gleichzeitig als integrativ wirkendes Forschungszentrum und Kooperationsplattform, wenn es um die durchgängige Simulation von Werkstoffen und Komponenten bei der Herstellung und während der Anwendungsphase geht - von der Simulation einzelner Prozesse über die Prozesskette bis hin zur Betrachtung des Einsatzverhaltens, dies in Abhängigkeit von der Form, der chemischen Zusammensetzung, der Mikrostruktur, der resultierenden Werkstoffeigenschaften, eingebrachter Eigenspannungen sowie möglicher Schädigungen während der Nutzung. Erforderliche Materialdaten werden vom MCL selbst in zyklischen Versuchen ermittelt. Die Untersuchungen beziehen sich dabei nicht nur auf reine, homogene Materialien sondern auch auf komplexe Strukturen, beispielsweise mit aufgebrachten Piezo-Aktoren.
Im Automobilbau sind produktspezifische Anforderungen mindestens ebenso relevant wie die umfassenden, gesellschaftlichen Megatrends. Dr. Anton Stich, Entwicklung Werkstofftechnologien, Audi AG Ingolstadt, zeigte in seinem Beitrag auf, dass Innovationsfelder im Fahrzeugbau in der gesamten Wertschöpfungskette vorhanden sind - von den Werkstoffen über die Verfahren bis hin zu den Bauweisen. Spezielle Anforderungen an die Werkstoffe kommen aus den Bereichen Leichtbau, Effizienz, Nachhaltigkeit und Elektromobilität. Bei letzerer stehen die Batteriewerkstoffe, der elektrische Antrieb sowie die thermische Isolation von Karosserie und Fenstern aktuell im Fokus der Entwicklung. Für die metallischen Funktionswerkstoffe besteht hier ein großes Potential, da sich beispielsweise die Gewichtseinflüsse auf den Gesamtverbrauch eines Fahrzeuges auf ca. 35% summieren. Beispiele für kürzlich realisierte Innovationen zeigte Dr. Stich aus den Bereichen Stahlleichtbau oder dem Einsatz von Aluminium-Schmiedeteilen im Fahrwerk auf.
In Bezug auf die Nachhaltigkeit von Neuen Materialien muss eine Betrachtung sowohl der Herstellungs- als auch der Nutzungsphase angestellt werden. Nur wenn während des Fahrzeuglebens Leichtbauwerkstoffe mindestens den Break-Even in Bezug auf den CO2-Verbrauch schaffen, ist ein Einsatz insgesamt sinnvoll. Ein weiterer Innovationstreiber für die Automobilindustrie kann auch die Gesetzgebung sein. Am Beispiel des Materialverbotes für Blei und Cadmium zeigte Dr. Stich, wie sich neue Werkstoffkonzepte umsetzen lassen. „Werkstofftechnologien leisten Schrittmacherdienste für das Automobil", so Dr. Stich.
Neue Konzepte mit Metallen lassen sich insbesondere durch deren Mikrostrukturierung erzielen. Die Geschichte der Mikrostrukturierung, vom Damaszener Stahl bis zum Nano-Design stellte Prof. Dr. Malgorzata Lewandowska, Materials Design Division, Faculty of Materials Science and Engineering, Warsaw University of Technology, Polen an den Anfang ihres Beitrages. Mit den Methoden der Nanotechnologie können heute metallische Funktionswerkstoffe für den Einsatz im Leichtbau oder im Bioengineering maßgeschneidert werden. Funktionen wie der Korrosionsschutz oder die Biokompatibilität lassen sich gezielt einstellen, wobei kritisch darauf zu achten ist, im Verarbeitungsprozess die Mikro- bzw. Nanostrukturierung nicht durch nachträgliches Kristallwachstum zu zerstören.
Vielfältige Möglichkeiten zur Integration von Funktionen in ein Bauteil bietet der Metallguß. Dr. Wolfgang Blümlhuber, Leitung Leichtmetallgießerei der BMW Group, Landshut unterstrich hierzu die Bedeutung der Gießerei als strategische Zentrale für den Einkauf und die Bereitstellung metalischer Leichtbaukomponenten. Auch hier gewinnt das Thema der Nachhaltigkeit stetig an Bedeutung. Während für den Kunden eher der CO2-Fußabdruck während des Betriebes von Interesse ist, hat der Hersteller stets die gesamte Wertschöpfungskette zu betrachten. Vor dem Hintergrund neuer Fahrzeugkonzepte im Umfeld der Elektromobilität verfügen insbesondere Gusskomponenten aus Aluminium über große Potentiale. Für die Gießtechnologie sprechen die Möglichkeiten zur wirtschaftlichen Herstellung und Funktionsintegration. Herausforderungen bezüglich Kosteneffizienz oder Werkzeugstandzeiten kann dabei mit einer umfassenden Vernetzung entlang der Prozessketten und der Entwicklung geeigneter Baukastensysteme begegnet werden. Speziell in Bezug auf die neue Marke BMWi konstatierte Dr. Blümlhuber, dass das Elektrofahrzeug neue und zusätzliche Differenzierungsmöglichkeiten für die Fahrzeughersteller bieten wird. Während die Batteriezellen zu einem Commodity-Produkt werden, wird jeder OEM in Bezug auf die Zellintegration und damit die Leistungsdaten und Reichweiten der Fahrzeuge seine eigenen Konzepte entwickeln.
Ein neues Konzept für die funktionsintegrierte Werkzeugherstellung präsentierte Stefan Hofmann, Assistent der Geschäftsführung, Hofmann Werkzeugbau, Lichtenfels. Die Generierung von Bauteilen und Werkzeugen mittels Laser-Cusing bietet vielfältige Möglichkeiten der Funktionsintegration und ist in puncto Materialausnutzung äußerst effizient. Das Verfahren gehört zu den „additive layer manufacturing"-Prozessen und ermöglicht mittels Laserschweißen die Verwendung von zahlreichen Werkstoffen, wie Edelstahl, Aluminium oder Titan. Speziell für die durch Computersimulation topologieoptimierten Bauteile bietet das Verfahren weitreichende Fertigungsmöglichkeiten. Zukünftige Herausforderungen sieht Hofmann in der Erhöhung der Bauraten, der Verbesserung der Oberflächenqualitäten und im Qualitätsmanagement.
Dass der Umformprozess von Stahl ebenfalls eine Menge Potential für die Integration von Werkstofffunktionalitäten birgt, zeigte Johannes Koch, Gruppenleiter Massivumformung, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, FAU Erlangen-Nürnberg, am Beispiel der Blechmassivumformung . Die in den letzten Jahren populär gewordenen prozesshärtenden Stähle sind ein hervorragendes Beispiel für die intelligente Kombination von Werkstoff und Verfahrenstechnik. Die integrierte Betrachtung der Prozesskette ‚Blechmassivumformung‘ unter Berücksichtigung von Werkstoffeigenschaften, Prozessparametern und Umformgraden ermöglicht dabei die Herstellung komplexer Bauteile. Der Einsatz von angepassten Halbzeugen, den tailored blanks, sowie eine lokale Einstellung der tribologischen Eigenschaften bieten Potential für die 100% Werkstoffausnutzung und die Einstellung optimaler tribologischer Eigenschaftsprofile.
Intelligent kombiniert - der richtige Werkstoff an der richtigen Stelle
- Komplexe, gegenläufige Anforderungsprofile sind wesentliche Treiber für innovative Werkstofflösungen
- Hochfunktionale Werkstoffverbunde zur maßgeschneiderten Kombination von Materialeigenschaften
- Additive Layer Manufacturing als wesentliches Element der Materialentwicklung
Ob im Automobilbau, der Luftfahrt oder der Energietechnik - die Anforderungsprofile an zukünftige Materialien werden komplexer, sei es im Hinblick auf die zunehmende Individualisierung auf der Kundenseite oder auf steigende Anforderungen hinsichtlich Effizienz und Nachhaltigkeit.
So zeigt sich in der Automobilindustrie, dass das Spannungsfeld Kunde, Gesetzgebung, Gesellschaft wesentliche Eckpunkte für Innovationen mit Neuen Materialien definiert, so Dr. Stefan Kalke, Abteilungsleiter Metalle, Beschichtungen, Sonderwerkstoffe der BMW Group. Innerhalb des durch die Individualität, Verbrauch und Emissionsgrenzwerte festgelegten Dreiecks aus Anforderungen werden effiziente und nachhaltige Werkstoff- und Produktionslösungen gesucht. Neue Materialien können hierbei als Enabler wirken, um Profile aus gegenläufigen Anforderungen, bspw. Bauteilsteifigkeit/-festigkeit versus Gewicht zu erfüllen. „Eines der bekanntesten Beispiele für die Lösung derartiger Zielkonflikte stellt das Al/Mg-Verbundkurbelgehäuse für den Sechszylinderreihenmotor der BMW Group dar.", so Dr. Kalke weiter. Aber auch der intelligente Einsatz von Epoxid-Schäumen oder der intelligente Stahl-Mischbau in der Karosserie bieten äußerst innovative Ansätze, hohe Festigkeiten und minimales Gewicht miteinander in Einklang zu bringen. Warmumformbare Stähle, welche mit einem kathodischen Korrosionsschutz versehen sind, oder Sandwichstrukturen aus Aluminium erfüllen gegenläufige Anforderungen aus Umformbarkeit und Korrosionsschutz.
„Komplexe, gegenläufige Anforderungspofile sind auch wesentliche Treiber für Innovationen im Triebwerksbau.", wie Dr. Andre Werner, Materials Engineering der MTU Aero Engines GmbH ausführte. Insbesondere die Steigerung der Turbineneffizienz bei gleicher, bzw. erhöhter Lebensdauer sei äußerst wichtig, da der Treibstoffverbrauch ca. 20-30 % der operativen Kosten eines Flugzeuges ausmache. Auf den ersten Blick unscheinbare Komponenten wie Dichtungen oder Anstreifsysteme in Flugzeugturbinen bilden hierbei einen wichtigen Ansatzpunkt zur Verbesserung von Effizienz und Lebensdauer. „Deutlich wird dies, wenn man sich vor Augen hält, dass eine moderne Turbine ca. 50 - 100 Dichtungen zwischen rotierenden und statischen Komponenten enthält.", so Dr. Werner weiter.
Diese Bauteile seien extremen Anforderungen ausgesetzt. Im Hochdruckverdichter eines modernen Flugzeugtriebwerkes herrschen Temperaturen von 300-700 °C. Es gibt massive Belastungen durch Staub und Sandkorrosion. Anstreifsysteme müssen dabei Relativgeschwindigkeiten von 100 bis 600 m/s ertragen, hohe thermische, chemische Stabilität sowie mechanische und thermozyklische Beständigkeit aufweisen und insbesondere beständig gegen Staub und Sandkorrosion sein. Um eine hohe Effzienz zu gewährleisten müssen die Anstreifsysteme, genauer gesagt die Einlaufbelege, auf diese komplexen Anforderungen abgestimmt werden. Zum Einsatz für die Einlaufbelege kommen gefüllte poröse Aluminiumlegierungen oder Nickel-Kobaltlegierungen. Bei sehr hohen Betriebstemperaturen wird dagegen poröses Zirkonoxid eingesetzt, welches mittels thermischen Spritzens auf den Grundwerkstoff aufgebracht wird. Das thermische Spritzen erzeugt einen mehrphasigen Aufbau in der Einlaufschicht, deren Basis ein schwammartiges Skelet aus dem Legierungsmetall ist und Sollbruchstellen in den eingelagerten keramischen Füllstoffen besitzt. In Niederdruckturbinen hingegen werden leichte Wabendichtungen eingesetzt, die ein gutmütiges Verhalten gegen Heißgaskorrosion aufweisen, beispielsweise Nickelbleche, ausgeführt als Honeycomb-Struktur.
„Um Neue Materialien oder Werkstoffsysteme einsetzen zu können, forschen wir intensiv an innovativen und effizienten Herstellungsmethoden. Vor allem additive Fertigungsverfahren, wie das Metal Injection Molding oder das Selective Laser Melting scheinen vielversprechend, um zukünftig ein erweitertes Spektrum an Werkstoffen und Wabendesigns nutzen zu können.", so Dr. Werner.
Auch in der Reaktortechnik lautet die Prämisse ‚Der richtige Werkstoff an der richtigen Stelle‘. Hier kommen laut Dr. Matthias Lamm, R&D and Patent Management T-G, AREVA NP GmbH, Erlangen insbesondere funktionale Werkstoffverbunde zum Einsatz, da ein Material alleine den komplexen Anforderungsprofilen nicht mehr gerecht werden kann. Hierrunter fallen vor allem Handhabung (Herstellung, Verbindungstechnik), Festigkeit (Druck, Temperatur) sowie Altersbeständigkeit (Temperatur, Korrosion, Verschleiß, Strahlung). In diesem Zusammenhang müssen auch höhere Laufzeiten einer Nuklearanlage gesehen werden, die heute noch zwischen 40 und 50 Jahren liegt und in ersten Forschungskonzepten auf 80 Jahre ausgelegt wird. „Dann wird schnell deutlich, dass die eingesetzten Werkstoffe auch für diese längeren Laufzeiten geeignet sein müssen.", so Dr. Lamm weiter. Vielfach wird der richtige Werkstoff durch Schweißplattieren an die richtige Stelle gebracht. Für die Reaktordruckbehälter kommt ein niedriglegierter Feinkornbaustahl als Basiswerkstoff zum Einsatz, der innen mit Chrom-Nickelstählen verkleidet wird. Die Verkleidung dient dabei der Erhöhung der Alterungsbeständigkeit. Auch für die Schweißnähte werden mittlerweile hochinnovative Werkstoffverbunde genutzt, um ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit zu erhalten. Abschließend führte Dr. Lamm aus, daß die heute verfügbaren Werkstoffe zwar ausreichten, um allen Anforderungen im Reaktorbau gerecht zu werden. Nach neuen Werkstofflösungen werde vor allem in der Peripherie gesucht; dies seien z.B. gammastrahlenbeständige Materialien für Elektronikbauteile.
Funktionale Beschichtungen von Oberflächen sind eine weitere Möglichkeit, Werkstoffe auf ihre jeweilige Anwendung hin zu optimieren. Das thermische Spitzen bietet laut Gerhard Wolf vom ATZ Entwicklungszentrum in Sulzbach-Rosenberg hierfür eine Vielzahl von Vorteilen - von seiner einfachen Handhabung bis hin zur Möglichkeit, große Fläche zu beschichten und unterschiedlichsten Materialien als Beschichtung zu nutzen. Aufgrund des geringen Wärmeeintrages auf der Bauteiloberfläche lassen sich unterschiedlichste Werkstoffe - von Metall bis hin zu Glasfasern - mit dieser Methode funktionalisieren. Die Beschaffenheit der Schutzschicht wird dabei durch das eingesetzte Spritzmaterial variiert. Mit Schichtstruktur kann mittels der Körnung der verwendeten Pulver variiert werden. In der Energietechnik bieten sich vor allem Schutzschichten aus Keramik an.
„Auch in Forschungsförderung gibt es innovative Ansätze, um industrielle Werkstoffentwicklungen zielgerichtet und bedarfsgerecht zu unterstützen." so Bert van Haastrecht, Program Manager am Materials innovation institute M2i, Delft. Der Ansatz von M2i hierfür ist ein Public Private Partnership Modell zur Koordinierung der niederländischen Werkstoffforschung, so van Haastrecht, der anschließend einige Beispiele vorstellte wie die Entwicklung und den Einsatz von Tailor made Blanks. Während diese Prozessmethode in der Automobilindustrie bereits Stand der Technik ist, wird im Rahmen von M2I in einem ersten Projekt der Einsatz dieser Prozesstechnologie für die Luftfahrt untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass mit Tailor made Blanks Gewichtsreduktionen von bis zu 15% und eine Zeitersparnis bei Herstellung entsprechender Bauteile von bis zu 25% möglich sind. Wesentliche Treiber für die Materialforschung sind Gewichtseinsparungen zur Senkung des Treibstoffverbrauchs sowie die Reduktion von Prozessenergie oder Abfall.
Wenn man über Werkstoffverbunde spricht, dann ist dies nicht möglich ohne die Betrachtung neuer Leichtbauwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK). CFK bietet sich immer besonders für Bauteilsegmente mit einem klaren, ungestörten Kraftfluss oder mit großflächiger Lasteinleitung an bzw. wenn besonders leichte und dabei feste und zugleich steife Hochleistungsbauteile benötigt werden, so Prof. Dr. Maik Gude vom Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der Technischen Universität Dresden in seinem Beitrag zum Thema ‚Synergistische Partnerschaften in hybriden Leichtbaustrukturen mit CFK und Metall‘.
Auch Aluminium bietet sich insbesondere bei mehrachsiger Beanspruchung an bzw. wenn Komponenten diffusionsdicht sein sollen oder über eine hohe elektrische Leitfähigkeit verfügen müssen. Stahl hingegen ist der Werkstoff der Wahl bei tribologisch beanspruchten Gleit- oder Laufflächen. Wie sich diese Werkstoffeigenschaften in einem realen Bauteil vereinigen lassen, demonstrierte Prof. Gude anhand eines Leichtbau-Hydraulikaktuators. Hier wird die Lastfernübertragung durch die Faserverbundstrukturen übernommen, während die Einleitung der äußeren Lasten durch metallische Komponenten erfolgt. Somit wird die Tragstruktur aus Faserverbund gefertigt, während die Montage-, Gleit- und Dichtflächen in Metall ausgeführt sind. Dieser Multi-Material Aufbau ermöglicht eine Gewichtsreduzierung von 30% gegenüber konventionellen Hydraulikaktuatoren.
