Issuu on Google+

Neue Materialien, Verfahren und Produkte in Bayern PROFILE PORTRÄTS PERSPEKTIVEN

PARTNER DER WELT


Editorial Innovative Materialien – ein Stück Leben Die Entwicklung neuer Materialien mit optimierten Eigenschaften und effizienten Verarbeitungsprozessen sind lebensnotwendig! Daraus eröffnen sich maßgeschneiderte Entwicklungen für Materialexperten und Anwender aller Branchen. Im Mittelpunkt unserer Publikation stehen aktuelle Trends und nachhaltige Lösungsmöglichkeiten:

Wo werden strategische Fragen gelöst und produktionstaugliche Werkstoffalternativen erarbeitet? „Intelligente“ Werkstoffe sind Treiber für Produktionsinnovationen. Folgende Beiträge verschaffen einen Einblick in die Welt neuer Materialien, Verfahren und Produkte.

Wie kann durch Materialeffizienz eine signifikante Kostenreduzierung erreicht werden? Walter Fürst

Welche Faktoren beeinflussen zukünftige Entwicklungen in Forschung und Technologie? Wann und wo werden innovative Projekte durch nachhaltige Programme gefördert? Wo wird anwendungsnahe Forschung mit Zukunft betrieben? Welche Erwartungen erfüllen „Neue Materialien“ in puncto Umweltverträglichkeit, Ressourcenschonung und neuartiger Materialfunktion? Wie sind ökonomische und ökologische Ziele durch innovative Bauteile aus hochfesten Stählen realisierbar? Welchen Beitrag leisten Hybrid-Bauteile zur Material- und Energieeffizienz?

Geschäftsführer

Impressum: Herausgeber:

media mind GmbH & Co. KG Volkartstr. 77 80636 München Telefon: +49 (0) 89 23 55 57-3 Telefax: +49 (0) 89 23 55 57-47 ISDN (MAC): +49 (0) 89 23 55 57-59 E-mail: mail@media-mind.info www.media-mind.info

Verantwortlich:

Walter Fürst, Jürgen Bauernschmitt

Gestaltung + DTP:

Jürgen Bauernschmitt

Druckvorstufe:

media mind GmbH & Co. KG

Verantwortl. Redaktion: Ilse Schallwegg Druck:

Druckerei Frischmann, Amberg

Erscheinungsweise:

1 mal jährlich

© 2012/2013 by media mind GmbH & Co. KG, München Kein Teil dieses Heftes darf ohne schriftliche Genehmigung der Redaktion gespeichert, vervielfältigt oder nachgedruckt werden.


Anzeige

Bayerische Forschungsallianz

2. US

Editorial

3

Anzeige

6

Vorwort Anzeige

BAYERN INTERNATIONAL Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt Universität Augsburg

Bayern Innovativ

7

8

9

Bayerische Forschungsallianz

(BayFOR)

12

Neue Materialien: Förderung für innovative Projekte Kontakt: Anita Schneider Bayerische Forschungsallianz GmbH (BayFOR)

Inhaltsverzeichnis

Vliesstoffe

15

Vliesstoffe – Isolationsmaterialien der Zukunft Autor: Dr. Ulrich Hornfeck, Vorstand Sandler AG

Wirtschaftsstandort

Bayern

16

Bayern – Partner der Welt und Wirtschaftsstandort mit Zukunft media mind GmbH & Co. KG

Lehrstuhl

Polymere Werkstoffe

18

Der Lehrstuhl Polymere Werkstoffe an der Universität Bayreuth Autorin: Dipl.-Chem. Marieluise Lang Universität Bayreuth

Anzeige

BECKER CARBON

Innovation durch Kompetenz Kontakt: BECKER CARBON GmbH

20


Fraunhofer-Institut

22

Das Fraunhofer ISC – nachhaltige und effiziente Werkstoffe für die Produkte von morgen. Kontakt: Marie-Luise Righi Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC

Polymerabgeleitete

Keramiken

24

Polymer-Füller abgeleitete Keramiken Autoren: Prof. Dr. Peter Greil, Priv. Doz. Dr. Nahum Travitzky, Dr.-Ing. Tobias Fey Friedrich-Alexander-Universität, Erlangen-Nürnberg (FAU)

Faserkompositen

26

Mechanische Eigenschaften von Faserkompositen verbessern Kontakt: Birgit Krauß FutureCarbon GmbH

Stahlwerkstoffe

28

Fertigung innovativer Bauteile aus hochfesten Stählen Autoren: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein Dipl.-Ing. Ioannis Tsoupis, Dipl.-Ing. Sven Hildering

Hybrid-Bauteile

32

Hybrid-Bauteile leisten einen Beitrag zur Materialeffizienz und Energieeffizienz Autor: Dipl.-Ing. Friedrich Moeller Rauschert Heinersdorf-Pressig GmbH

Werkstoff Stahl

36

Stahl – ein High-tech Werkstoff Autor: Prof. Dr. mont. habil. Dr. rer. nat. h. c. Ewald Werner Technische Universität München, Lehstuhl für Werkstoffkunde und Werkstoffmechanik

Hybride

Bauweisen

38

Wissenschaftliches Kompetenzbüro „Hybride Bauweisen“ bei MT Aerospace Autor: Dr. Patrick Starke, Anwenderzentrum Material- und Umweltforschung, Universität Augsburg

Anzeige

MATERIALICA

4. US


AEROSPACE INDUSTRIES & SATELLITE NAVIGATION AUTOMOTIVE

KEY TECHNOLOGIES IN BAVARIA IHR SCHLÜSSEL ZU NEUEN MÄRKTEN

BIOTECHNOLOGY CALL AND COMMUNICATION CENTERS ELECTRICAL ENGINEERING & ELECTRONICS ENVIRONMENTAL FINANCIAL SERVICES IT LOGISTICS MECHANICAL ENGINEERING MEDICAL NEW MATERIALS PHOTONICS RAILWAY

Nutzen Sie die Chance, um neue Wirtschaftspartner im In- und Ausland zu finden! Bayern International bietet Ihnen die Möglichkeit, sich in einer umfassenden Branchendatenbank kostenlos darzustellen – einem Nachschlagewerk für in- und ausländische Unternehmen.

Tragen Sie sich mit Ihren Kernkompetenzen und Produkten kostenlos unter www.key-technologies-in-bavaria.de ein. Die „Key Technologies“ sind im Internet tagesaktuell abrufbar und erscheinen auch als CD-ROM.

Fragen? KeyTech-Hotline: 0180-5-949260 Mo bis Do 9:00 – 17:00 Uhr, Fr 9:00 – 15:00 Uhr (12 Cent/Min. aus dem Festnetz der Deutschen Telekom)

WWW.BAYERN-INTERNATIONAL.DE


7

Neue Materialien: Voraussetzung für den Markterfolg von Innovationen Rund zwei Drittel aller technischen Innovationen basieren direkt oder indirekt auf den Eigenschaften und Funktionalitäten der eingesetzten Werkstoffe. Als Grundlage von Produkten und gerade auch aufgrund ihres hohen Innovationspotenzials sind Werkstoffe ein entscheidender Baustein für die Wettbewerbsfähigkeit der Wirtschaft. Sie sind die heimlichen, oftmals nicht wahrgenommenen Protagonisten, die den Markterfolg eines Produkts bestimmen. Vor allem in den Bereichen Mobilität, Energie und Umweltschutz sowie Gesundheit kommt der Entwicklung neuer und immer leistungsfähigerer Materialien und deren effizienten Verarbeitung eine hohe Bedeutung zu. Der Erfolg werkstoffgestützter Innovationen hängt neben maßgeschneiderten Eigenschaftsprofilen der verwendeten Werkstoffe zunehmend auch davon ab, inwieweit globale Megatrends, wie steigende Weltbevölkerung und Rohstoffverknappung, berücksichtigt werden: Die Effizienz und Nachhaltigkeit der Wertschöpfungskette – von der Materialerzeugung über die Verarbeitung, die Nutzungsphase im Bauteil bis hin zum Recycling und der Wiederverwertung – spielt eine stetig wachsende Rolle. Wesentliche Treiber dieser Entwicklung sind der Automobilbau, die Luft- und Raumfahrt und die Energietechnik. Schon heute stellen nach Angaben des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. die Ausgaben für Materialien im produzierenden Gewerbe mit über 40 Prozent den mit Abstand größten Kostenblock dar und sind damit mehr als doppelt so hoch, wie die Personalkosten. Ein reduzierter Materialeinsatz birgt daher ein signifi-

kantes Potenzial für Kostensenkungen. Experten gehen davon aus, dass die Materialeffizienz in Deutschland mittelfristig um mindestens 20 Prozent gesteigert werden kann. Damit läge das Einsparpotenzial bei rund 100 Milliarden Euro jährlich. Neben der Reduktion ist die Substitution, also der Ersatz eines Werkstoffes durch einen anderen ein wichtiges Ziel. Knappe Rohstoffe sollen durch verfügbare, nicht erneuerbare durch nachwachsende, ökologisch problematische gegen umweltverträgliche ersetzt werden. Beispiel für eine solche Substitution sind in der Entwicklung befindliche Photovoltaikmodule aus Kunststoff, die mit organischen Halbleitern beschichtet werden und den Silizium-Wafer ersetzen können. Bayern nimmt in der Werkstofftechnologie eine Spitzenstellung innerhalb von Deutschland ein. Um diese führende Position weiter zu stärken, arbeiten die Forscher der Materialwissenschaften an den bayerischen Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen, wie z. B. der Neue Materialien Bayreuth GmbH und der Neue Materialien Fürth GmbH als außeruniversitäre Institutionen, mit Nachdruck daran, den Unternehmen attraktive Werkstoffe und Verarbeitungsverfahren für Heute und Morgen bereitzustellen.

Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt Geschäftsführer Neue Materialien Bayreuth GmbH Inhaber des Lehrstuhls Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth Leiter der Abteilung Polymer Engineering der TUTECH Innovation GmbH in Hamburg Mitglied im Beirat Cluster Neue Werkstoffe


9

Globale Megatrends bestimmen Werkstofftechnologien von morgen Reduzierung von Emissionen, ausreichende Versorgung der Welt mit Nahrung und Energie, Gesundheit und demographischer Wandel, Erneuerung und Ausbau von Infrastrukturen oder nachhaltige Mobilität haben umfassende politische, soziale und auch wirtschaftliche Auswirkungen. Insbesondere beeinflussen sie zukünftige Entwicklungen in Forschung und Technologie für die Lösung neuer Problemstellungen und generieren somit auch neue Märkte. Den Neuen Materialien als einer wichtigen „enabling technology“ kommt als vielfacher Impulsgeber für Innovationen eine besondere Bedeutung zu. So setzt die in Anbetracht des Klimawandels angestrebte Reduktion des Verbrauches von fossiler Energie Impulse für zahlreiche Innovationen, sei es bei den regenerativen Energien, den „Green Buildings“ oder auch der Mobilität. Technologien mit Neuen Materialien kommt hierbei eine besondere Rolle zu. Weiterentwicklungen klassischer Werkstoffe wie Metalllegierungen für extreme thermische und mechanische Belastungen sowie junge Technologien wie z. B. neue Leichtbaumaterialien oder die großflächig prozessierbare organische Elektronik bieten ökonomische wie ökologische Potenziale. Die Realisierung von Innovationen mit Neuen Materialien wird zukünftig auch eng gekoppelt sein an die Frage nach der weltweiten Verfügbarkeit entsprechender Ausgangsmaterialien, einer konsequenten Bereitstellung von Recyclingstrategien sowie der Nutzung nachwachsender Rohstoffe.

Neue Materialien: eine „unterschätzte“ Schlüsseltechnologie „Aus visionärer Sicht betrachtet stellen die Neuen Materialien momentan eine unterrepräsen-

Energieeffizienz und Designfreiheit – OLEDs für innovative Beleuchtungslösungen (Bildquelle: Siemens Pressebild)

tierte Thematik dar. Dabei kann die Bedeutung dieser „enabling technology“‚ für die Lösung aktueller und zukünftiger Probleme gar nicht hoch genug eingeschätzt werden“, so Dr. Karlheinz Steinmüller, Zukunftsforscher und wissenschaftlicher Direktor der Z_punkt GmbH, Köln/Berlin, auf dem Kongress „Zukunft Neue Werkstoffe“ 2011 in Fürth. Wenn neue Produkte am Markt erfolgreich sind, dann beruht dies meist auf den eingesetzten Werkstoffen oder

Kombinationen verschiedener Materialien und deren außergewöhnlichen Eigenschaftsprofilen. Aktuelle Beispiele sind Elektrofahrzeuge, die ohne Leichtbauwerkstoffe wie faserverstärkte Kunststoffe oder Leichtmetalle nicht realisierbar wären oder auch Entwicklungen mit neuen Dämmwerkstoffen für höchste Energieeffizienz in der Bauwirtschaft. Um das große Innovationspotenzial Neuer Materialien durch gezielte Vernetzung und neuartige Kooperationen weiter zu fördern, wurde 2006 der Cluster Neue Werkstoffe unter dem Management der Bayern Innovativ GmbH ins Leben gerufen.

Cluster Neue Werkstoffe: Plattformen für die Werkstoff-Community Der bayernweite Cluster Neue Werkstoffe hat sich zu der Kommunikations- und Kooperationsplattform rund um materialbezogene Innovationen entwickelt. Themenorientierte Cluster-Treffs führen gezielt Experten und potenzielle Kunden zusammen. In Cluster-Kreisen, regelmäßigen Expertenrunden zu spezi-


10

ellen Fragestellungen, verdichtet der Cluster Themen bis auf Projektebene und unterstützt Partner in der marktorientierten Projektarbeit. Mit diesen Werkzeugen leistet der Cluster Neue Werkstoffe auch in seiner zweiten Förderperiode (2012-2015) einen maßgeblichen Beitrag zur Initiierung von technologie orientierten Verbundprojekten mit regionaler Wertschöpfung. Die Bilanz des Clusters nach fünf Jahren - mehr als 100 Veranstaltungen, 8000 Nutzer der Plattformen, rund 500 ClusterAkteure, 36 Cluster-Partner, 23 initiierte Verbundprojekte mit 97 Partnern, welche eine Förderung mit bayerischen oder nationalen Mitteln erhalten – ist ein eindrucksvolles Abbild dieses lebendigen Netzwerks.

dem Kongress „Zukunft Neue Werkstoffe“. „Werkstoffe sind in der Diskussion von Themen wie dem Schutz der Umwelt oder der Ressourcenschonung oft nicht sichtbar. Daher sind die Auseinandersetzung mit den Megatrends und die Diskussion des Potenzials von Material- und Prozessentwicklungen zur Lösung aktueller Fragestellungen äußerst wichtig,“ so Clustersprecher Singer. Durch die Kommunikation von Anforderungen an zukünftige Produkt- und Prozessinnovationen aus den Anwenderbranchen wie der Energietechnik oder der Mobilität entstünden gleichzeitig Impulse für die Materialforscher selber. Dieses Umfeld bietet den Akteuren immer wieder neue Herausforderungen in einem dynamischen Umfeld. „Der Cluster Neue Werkstoffe befinde sich daher in einem ständigen, intensiven kommunikativen Austausch mit seinen Akteuren, um diese Themen voranzutreiben und entsprechende Entwicklungen zu starten“, so Cluster-Manager Dr. Kord Pannkoke von Bayern Innovativ.

Wechselwirkung: Forschung, Produktentwicklung, Innovation

Strategien: Themen – Zielbranchen – Leitbegriffe

Der Cluster arbeitet erfolgreich in einem Wechselspiel aus Forschung, Produktentwicklung und Innovation. Dass die Wechselwirkung des Themas „Neue Werkstoffe“ mit gesellschaftlichen Megatrends dabei oftmals den Anstoß für neue Forschungsthemen geben, erläuterte Prof. Dr. Robert F. Singer, einer der Sprecher des Clusters Neue Werkstoffe auf

Bereits zu Beginn der bayerischen Cluster-Offensive definierte der Cluster Neue Werkstoffe mit seinen beiden Clustersprechern Prof. Dr. Robert F. Singer, Universität ErlangenNürnberg und Prof. Dr. Rudolf Stauber, Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie, Alzenau, sowie einem Beirat von Vertretern aus Wirtschaft und Wissenschaft

Leben und Gesundheit – Werkstoffe als Schlüssel für eine emotionale Architektur, (Bildquelle: Photocase)

wichtige industrielle Themenfelder und entwickelte Arbeitsstrategien auf Netzwerkebene. Zu den Themenfeldern zählen Metallische Leichtbauwerkstoffe, Polymereigenschaften und -verarbeitung, Faserverbundwerkstoffe, Materialien für die großflächig prozessierbare Elektronik, Technische Keramiken und Gläser, Technische Textilien sowie Funktionalisierte Oberflächen. Diese sieben Werkstoff- und technologiespezifischen Themenfelder sind nicht statisch sondern werden laufend den Interessen der Cluster-Akteure angepasst.

Mobilität und Leichtbau – Einsatz textiler Technologien für die Leichtbauwerkstoffe von morgen (Bildquelle: LIBA Maschinenfabrik)

Außerdem stellt der Cluster die Zielbranchen und deren Anwendungen stark in den Fokus seiner Netzwerktätigkeit. Werkstoffentwicklungen werden nicht als isolierte, forschungsrelevante Aktivitäten betrachtet, sondern bilden einen integralen Bestandteil des gesamten Produktentstehungsprozesses. Damit wird der Anwendungsbezug im Netzwerk kontinuierlich gestärkt. Neu in der strategischen Ausrichtung des Clusters ist die Einführung sogenannter Leitbegriffe, d.h. die Beschäftigung mit Megatrends, deren Auswirkungen auf Entwicklungen mit Neuen Materialien sowie die Diskussion über Wirkungen von werkstofftechnischen Innovationen auf Mensch und Umwelt.


11

Cluster Neue Werkstoffe – ein lebendiges Netzwerk

Für die Wettbewerbsfähigkeit im globalen Marktgeschehen ist permanente Innovation heute einer der wichtigsten Erfolgsfaktoren. Doch immer seltener gelingt es den Unternehmen innovative Produkte und Dienstleistungen in Eigenregie zu entwickeln. „Stattdes-

sen entstehen Innovationen immer öfter dort, wo Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft ihre Erfahrung und Expertise gemeinsam in Projekte einbringen“, so Professor Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH. So profitieren Unternehmen, insbesondere der Mittelstand, und Forschungsinstitute von der Zusammenarbeit im Cluster Neue Werkstoffe.

Der Cluster Neue Werkstoffe, dessen Management bei der in Nürnberg ansässigen Bayern Innovativ GmbH liegt, versteht sich als bayernweite Informationsund Kommunikationsdrehscheibe rund um das Thema Neue Materialien. Ziel des Clusters ist es, bedarfsorientiert technologische Fragestellungen zu identifizieren und diese durch gezielte Netzwerktätigkeiten in einem materialbezogenen Umfeld zur Diskussion zu stellen. Dies wird in verschiedenartigen Themenfeldern verfolgt und bietet umfassende Möglichkeiten für werkstoff- und branchenübergreifenden Technologietransfer. Themenorientierte Cluster-Treffs bei Firmen und Instituten führen Entscheidungsträger zusammen und machen Kompetenzen erlebbar. Die Einrichtung wiederkehrender Expertenrunden zu speziellen Fragestellungen, den sogenannten Cluster-Kreisen, verdichtet das Netzwerk bis auf Projektebene. Cluster-Sprecher:

Die Bilanz des Clusters nach 5 Jahren: Netzwerk aus rund 500 Akteure mit 370 Firmen und 130 Institute inklusive 36 Cluster-Partner 23 Projekte mit einem Volumen von 13,3 Mio Euro und 96 Projektpartnern 109 Veranstaltungen rund 8.600 Teilnehmer u.a. 6 Material Innovativ 41 Cluster-Treffs 10 Cluster-Foren 14 Cluster-Kreise 17 Messen 6 Technology Datings 3 Bayerische Werkstoffabende Autoren:

Prof. Dr. Robert F. Singer

Prof. Dr. Rudolf Stauber

Dr. Kord Pannkoke

Universität Erlangen-Nürnberg

Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie, Alzenau

Cluster-Management Neue Werkstoffe

Marcus Rauch Cluster-Management Neue Werkstoffe

Nicola Socha Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Cluster Neue Werkstoffe Bayern Innovativ GmbH Das Team des Clusters Neue Werkstoffe bei der Bayern Innovativ GmbH: v.l.n.r: Dr. Kord Pannkoke, Dr. Marcus Seitz,Tanja Flügel, Marcus Rauch

Gewerbemuseumsplatz 2 90403 Nürnberg Tel. +49 911-20671-0 www.cluster-neuewerkstoffe.de


12

Bayerische Forschungsallianz (BayFOR)

Neue Materialien: Förderung für innovative Projekte Leichter, härter, schneller, effizienter: Innovationen im Materialbereich sind der Grundstein für zukunftsorientierte Produkte. Viele Fördermittelgeber räumen Forschungsaktivitäten zu neuen Materialien daher einen großen Stellenwert ein; auch, weil sie als Querschnittstechnologien in vielen verschiedenen Bereichen Einsatz finden und vor allem in Hinblick auf die Verknappung der Rohstoffe wichtigen Ersatz liefern können. Auch bayerische Institutionen und die Europäische Union fördern Forschungsaktivitäten zu Neuen Materialien verstärkt: Im 7. Forschungsrahmenprogramm der EU (FP7, 2007-2013), das mit über 50 Mrd. Euro dotiert ist, werden Projekte unterstützt, von deren Lösung die ganze europäische Gemeinschaft profitieren kann. Für den Bereich Nanowissenschaften, Nanotechnologien, Werkstoffe und neue Produktionstechnologien (NMP) sind für die gesamte Laufzeit des FP7 ca. 3,5 Mrd. Euro und für die kommende Ausschreibungsrunde über 600 Mio. Euro vorgesehen. Die Europäische Kommission wird im Juli 2012 die nächsten NMP-Themen für Projekte veröffentlichen, die 2013 starten sollen. Nutzen Sie die Gelegenheit, sich frühzeitig über die zu erwartenden Inhalte zu informieren und rechtzeitig ein schlagkräftiges internationales Konsortium aufzubauen! Wir beraten Sie gerne: Dr. Panteleïmon Panagiotou, panagiotou@bayfor.org

Orientierung im Dickicht der Förderprogramme Die Vielfalt an Fördermöglichkeiten stellt potenzielle Antragsteller vor komplexe Aufgaben: Ein passendes Förderprogramm zu identifizieren,

die richtigen Partner für das Verbundprojekt zu finden und einen erfolgreichen Antrag zu stellen, erfordert umfassendes Fachwissen. Das Haus der Forschung (www.haus derforschung.bayern.de) mit den vier Partnern Bayern Innovativ, Bayerische Forschungsallianz (BayFOR), Innovations- und Technologiezentrum Bayern und Bayerische Forschungsstiftung ist die zentrale Anlaufstelle für bayerische Wissenschaftler und Unternehmen, die auf der Suche nach Unterstützung für ihr Forschungs- oder Technologieprojekt sind. Das EU-Förderzentrum der BayFOR, die unter anderem vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst gefördert wird, informiert vor allem über Fördermöglichkeiten im Rahmen europäischer Programme und bietet aktive Unterstützung bei der Projektanbahnung, dem Aufbau internationaler Konsortien und der Antragserstellung. Ist die Evaluierung erfolgreich, unterstützt sie bei den Vertragsverhandlungen mit der Europäischen Kommission und übernimmt gegebenenfalls das Projektmanagement sowie die Öffentlichkeitsarbeit. www.bayfor.org

Wie Bayerns Spitzenforscher mit der richtigen Finanzierung ihre Forschungsvorhaben umsetzen können, zeigen folgende Beispiele von europäischen und bayerischen Verbundprojekten. Die BayFOR hat das in Bayern koordinierte EUKonsortium LARGECELLS, das seit 2010 an der Optimierung von organischen Photovoltaik-Zellen arbeitet, durch die Antragsphase begleitet und unterstützt es nun beim Projektmanagement bzw. bei der Verbreitung der Ergebnisse.

LARGECELLS: Sonnige Zukunft für Strom aus organischen Photovoltaik-Zellen

Photovoltaik gilt als ein Stützpfeiler der Energieversorgung von morgen, macht sie sich doch die größte Energiequelle überhaupt, die Sonne, zunutze. Auch wenn die klassischen, anorganischen Module in den letzten Jahren einen Preissturz erfahren haben, sind sie teurer als Solarzellen, die auf organischen Materialien wie etwa Polymeren basieren (organische Photovoltaik – OPV). Die Herstellung klassischer Zellen ist kostenund energieintensiv,

LARGECELLS:Testanlage eines OPV-Moduls


Bayerische Forschungsallianz (BayFOR)

LARGECELLS: Aktuelle Generation von OPV-Zellen ( © RISØ DTU)

während die organische Variante wesentlich kostengünstiger herzustellen und zudem flexibel einsetzbar ist. Der Optimierungsbedarf ist jedoch noch groß. Daher entwickelt das EU-Projekt LARGECELLS („Large-area Organic and Hybrid Solar Cells“) zusammen mit einem indischen Konsortium eine neue Generation leistungsfähiger OPVZellen. Koordiniert wird LARGECELLS von Mukundan Thelakkat, Professor für Angewandte Funktionspolymere an der Universität Bayreuth. Dem europäischen Konsortium gehören neben der Universität Bayreuth fünf weitere Institutionen bzw. Unternehmen aus Dänemark, Deutschland, Israel und den Niederlanden an. Die EU fördert das vierjährige Projekt mit 1,64 Mio. Euro. Die Forscher haben sich vier Ziele gesteckt: Energieeffizienz erhöhen Die aktuelle Generation von Solarzellen auf Polymerbasis ist noch nicht effizient genug. Ziel ist es, die Energieausbeute zu verdoppeln. Da die verwendeten Materialien den größten Einfluss auf die Effizienz haben, synthetisiert das Team neuartige organische Materialien und erforscht gleichzeitig Hybride aus organischen und anorganischen Werkstoffen.

Langzeitstabilität verbessern In Indien und Israel führen die Wissenschaftler Tests mit beschleunigten Alterungsverfahren unter realen Betriebsbedingungen durch. Mithilfe der Ergebnisse soll die Langzeitstabilität und somit die mögliche Nutzungsdauer erhöht werden, so dass die Investition in OPV-Module wirtschaftlich sinnvoll ist. Produktionskosten senken Die Zellen lassen sich mit für die OPV-Herstellung angepassten, modernen Beschichtungsverfahren im Roll-to-Roll-Prozess als großflächige Module fertigen. Das senkt die Produktionskosten deutlich.

Hochtouren. Anfang 2012 stellte der Bayerische Forschungsverbund ForLayer („Innovative Schichten zur Verschleißreduktion an komplex belasteten Werkzeugen“) die Ergebnisse seiner rund dreijährigen Arbeit vor, die die Bayerische Forschungsstiftung mit ca. 1,9 Mio. Euro förderte. Im Fokus der fünf Forschergruppen und 23 Unternehmen standen Werkzeuge der Urund Umformtechnik. Sie sind besonders hohem Verschleiß ausgesetzt, da bei diesen Prozessen mehrere verschleißfördernde Mechanismen zusammenwirken. Vor dem Hintergrund, dass der Anteil der Werkzeugtechnik bis zu 20 Prozent der Produktionskosten beträgt, erklärte der Sprecher des Verbundes Professor Martin Faulstich, Inhaber des Lehrstuhls für Rohstoff- und Energietechnologie an der TU München und wissenschaftlicher Leiter des ATZ Entwicklungszentrums: „Besserer Verschleißschutz an Werkzeugen bietet ein riesiges Einsparpotenzial.“ Das Interesse der Industrie an neuen Lösungen ist daher groß. Insgesamt drei Patente bzw. Patentanmeldungen sowie zahlreiche neue Erkenntnisse können die Forscher vorweisen, darunter auch eine Weltneuheit: eine mehrlagige nanokristalline Diamantfolie, die sich auch auf Stahl,

Einsatzbereich erweitern Die großflächigen, flexiblen und vor allem leichten Solarfolien lassen sich z. B. bei unebenen Flächen verwenden. Sie sind auf Oberflächen wie Textilien und im Bauwesen – etwa zur Energiegewinnung auf Leichtbauindustriedächern – ideal einsetzbar. Ein weiterer Vorteil ist ihre einfache Integration in unterschiedliche Anwendungen, etwa in der Elektronik. www.largecells.eu

ForLayer: Höhere Produktivität durch innovativen Verschleißschutz im Werkzeugbau Auch auf rein bayerischer Ebene läuft der Innovationsmotor auf

ForLayer: Plasmaspritzbeschichtung einer Stahlscheibe mit einer Keramik

13


14

Bayerische Forschungsallianz (BayFOR)

FORCiM3A: CFK hat schon für viele Innovationen gesorgt – nun soll der Verbundwerkstoff auch den Maschinen- und Anlagenbau revolutionieren

Aluminium und Kunststoff applizieren lässt – Materialien, die bislang aufgrund der hohen Temperaturen beim Beschichtungsvorgang nicht mit Diamant beschichtet werden konnten. Die mechanische Festigkeit der neuartigen Folien übertrifft die Festigkeit anderer keramischer Folien bei weitem. Auch die Ergebnisse der anderen fünf Teilprojekte sind bemerkenswert: So gelang etwa einem Team an der LMU München die Entwicklung eines weltweit einzigartigen Verfahrens zur Optimierung von oxidkeramischen Schichten mittels einer Solvothermalbehandlung. Das ebenfalls zum Patent angemeldete Verfahren wurde mit einer speziellen Beschichtungsmethode kombiniert, dem sogenannten Spray Metal Tooling, das die Herstellung komplex geformter Werkzeuge mit verschleißfesten, hoch beanspruchbaren Oberflächen ermöglicht. Eine Forschergruppe der TU München patentierte die neu entwickelte Technik eines Multimaterialauftragssystems bei der Fertigung von Werkzeugen über den generativen Prozess des selektiven Laserschmelzens. Das System realisiert die simultane Verarbeitung konventioneller und hoch verschleißbeständiger Werk-

stoffe während der direkten, schichtweisen Werkzeugherstellung. Darüber hinaus fand ForLayer neue Lösungen speziell für Anwendungen im Aluminiumguss, beim Presshärten und bei der Kaltmassivumformung. www.forlayer.de

FORCiM3A: Faserverbundtechnologie für den Maschinenund Anlagenbau Während ForLayer bereits die Früchte seiner Arbeit ernten kann, steht der in Augsburg koordinierte Forschungsverbund FORCiM3A („CFK/Metall-Mischbauweisen im Maschinen- & Anlagenbau“) noch ganz am Anfang. Seit Dezember 2011 fördert die Bayerische Forschungsstiftung FORCiM3A mit 2,2 Mio. Euro; die Laufzeit beträgt drei Jahre. Die Faserverbundtechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Im Leichtbaubereich spielt sie vor allem in Form der „Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe“ (CFK) eine immer größere Rolle. Bisher beschränkt sich ihr Einsatz jedoch größtenteils auf die Luft- und Raumfahrt, den Nischenfahrzeugbau und die Sportartikelindustrie. Dabei versprechen CFK gerade im Maschinen- und Anlagenbau eine signifikante Leistungssteigerung. Ein-

satzhemmnisse sind bisher die hohen Werkstoffkosten, aufwändige, manuelle Fertigungsverfahren und unzureichendes Know-how im Bereich der Konstruktion und Auslegung von Komponenten und Gesamtsystemen, die den besonderen Anforderungen des Maschinenbaus gerecht werden müssen. Die größte technologische Hürde liegt jedoch in der Integration des CFK in die traditionell aus Stahl gefertigten Maschinen- und Anlagenkomponenten. Bei der einen oder anderen Anwendung ist es der Industrie bereits gelungen, Stahl mit CFK zu kombinieren. Sie sind jedoch alle nur für eng begrenzte Anforderungen ausgelegt, denn die Ansätze beruhen auf Initiativen einzelner Firmen, die nach Lösungen für sehr spezielle Probleme suchten. Genau hier setzen die Arbeiten von FORCiM3A an: Sie sollen diese Einzelfälle auf eine breitere Basis heben. Als Ausgangspunkt dient eine Welle, die in den Papiermaschinen der Firma Voith Composites bereits zum Einsatz kommt und Grundlage für das Übertragen der Technologie auf andere Bauteile ist. Fünf weitere Elemente aus dem Maschinen- und Anlagenbau werden so exemplarisch daraufhin überprüft, ob und unter welchen Bedingungen sich dort Faserverbundwerkstoffe einsetzen lassen. www.bayfor.org/forcim3a Kontakt:

Anita Schneider Referentin für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Bayerische Forschungsallianz GmbH (BayFOR) Prinzregentenstr. 52 80538 München Tel.: +49 (0)89 - 9901888-191 Fax: +49 (0)89 - 9901888-29 E-Mail: schneider@bayfor.org www.bayfor.org


15

Vliesstoffe – Isolationsmaterialien der Zukunft

Effizient dämmen mit Vlies

Anwendungen, die mit Druck- und Prägemotiven individuelles Produktdesign bieten; Vliesstoffe für Heimtextilien, die Wohnen und Arbeiten angenehmer gestalten; Filtermedien, die in Industrie und Haushalt für reine Luft sorgen; Materialien für Bau, Heizungs- und Anlagentechnik, die vom Wohnraum bis zum Industriegebäude effizient Schall und Wärme isolieren; sowie Vliesstoffe für die Automobilindustrie, die von Kofferraum bis Motor-

Vliesstoff-Absorber in der Motorabdeckung

abdeckung, von Unterfahrschutz bis Dachhimmel als Absorber für Geräuschreduzierung und Temperaturmanagement Funktionalität und Komfort vereinen. Im Motorraum dienen Sandler Vliese zur Einhausung des Motors und angeschlossener Aggregate, zum Beispiel in der Motorabdeckung. Sie dämpfen Motorengeräusche für eine leise Fahrt und sind auch Wärmeisolatoren. Hier verlangsamen die textilen Werkstoffe die Abkühlung des Motors, vermindern so Kaltstarts und helfen Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu reduzieren. Ganz im Sinne des Umweltschutzgedankens unterstützen die aus 100% Polyester hergestellten Vliese mit ihrer Recycelbarkeit geschlossene Werkstoffkreisläufe in der Automobilindustrie. In der Gebäudeisolation kommen Sandler Polyestervliesstoffe als Dämmmaterial in Dach und Wänden zum Einsatz, wie auch für die Isolation von Rohrleitungen in der Heizungs- und Anlagentechnik. Mit Flexibilität und Rückformvermögen passen sie sich optimal an jeden Untergrund an und isolieren

selbst Rohrbiegungen perfekt. Die sortenreinen Vliese bieten hervorragende Schall- und Wärmeisolation und verhindern so Wärmeverluste in der Gebäudedämmung, wodurch der Energieverbrauch gesenkt werden kann. Dabei sorgen die offenporigen Materialien für optimale Luftzirkulation, sind langlebig sowie einfach und sicher verarbeitbar – ein vielseitiger Werkstoff, für alle Lebensbereiche.

Autor: Dr. Ulrich Hornfeck Vorstand

Sandler AG Lamitzmühle 1 95126 Schwarzenbach a. d. Saale Tel.: +49 (0) 9284 / 60 281 Fax: +49 (0) 9284 / 60 205 E-Mail: Ulrich.Hornfeck@sandler.de

Vliesstoffe

Isolation ist Schutz, Isolation ist Energieeinsparung. Besonders in technischen Anwendungen tragen Isolationsmaterialien zum Anwendungskomfort und zur Reduzierung der Umweltbelastung bei. Für diese Einsatzzwecke bietet die Sandler AG eine textile Alternative: synthetische Isolationsstoffe auf Bekleidungsfaserbasis. 1879 als Wattefabrik gegründet, ist Sandler heute einer der 10 größten Vliesstoffhersteller weltweit. Am Firmenstandort in Schwarzenbach a. d. Saale vereint das Unternehmen verschiedene Herstellungstechnologien für ein Produktspektrum, das in der Branche seinesgleichen sucht: Materialien für die Hygieneindustrie und Tuchsubstrate für effiziente Pflege und Reinigung in vielfältigen


16

Bayern – Partner der Welt und Wirtschaftsstandort mit Zukunft

Wirtschaftsstandort Bayern

Der Freistaat Bayern zählt heute zu den wirtschaftsstärksten Regionen in Europa. Dank einer offensiven Wirtschaftspolitik und einer erstklassiken Infrastruktur ist und bleibt Bayern ein Standort mit Zukunft. Für nahezu alle Branchen existiert ein produktives Netz aus „Global Playern“ und eine breite Schicht leistungsfähiger kleiner und mittlerer Unternehmen zur Sicherung von Wachstum und Beschäftigung.

Der Freistaat Bayern ist mit über 70.000 km2 das größte, mit 12,4 Mio. Einwohnern nach Nordrhein-Westfalen das zweitgrößte Bundesland in Deutschland. Neben den unstrittigen Vorteilen als Lebens- und Freizeitstandort genießt Bayern vor allem als High-Tech- und Dienstleistungsstandort weltweit einen ausgezeichneten Ruf. Im europäischen Vergleich werden bei nahezu allen gesamtwirtschaftlichen Daten Spitzenwerte erzielt.

Der Freistaat Bayern ist flächenmäßig das größte, gemessen an den Einwohnern nach Nordrhein-Westfalen das zweitgrößte Bundesland in Deutschland

Bewährtes Element „Clusterpolitik“

Erfolgreiche Aufholjagd In einer beispiellosen Aufholjagd hat sich Bayern seit dem Ende des Zweiten Weltkriegs vom Agrarstaat mit überdurchschnittlich hoher Arbeitslosigkeit und unterdurchschnittlicher Wertschöpfung zu einem wirtschaftlichen Kraftzentrum ersten Ranges entwickelt. Eine im bundesdeutschen Vergleich niedrige Arbeitslosenquote, ein deutlich höherer Anteil an Selbstständigen und eine starke Zuwanderung vor allem in den letzten zehn Jahren belegen diese Aussage. Mit dem rasanten Aufschwung Bayerns ging eine überdurchschnittliche Beschäftigungs-

Freisetzung marktwirtschaftlicher Dynamik zugunsten von mehr Wachstum und Beschäftigung Unterstützung der Wirtschaft im Strukturwandel auf der Linie „neue Produkte, neue Betriebe, neue Märkte“ Weiterer Auf- und Ausbau der Infrastruktur Unter dem Motto „Sparen — Reformieren — Investieren“ werden Staat und Verwaltung in Bayern fit für die Zukunft gemacht.

Deutschland und Bayern

dynamik einher. So wuchs die Zahl der sozialversicherungspflichtig Beschäftigten um knapp ein Viertel und damit wesentlich stärker als in allen anderen Bundesländern.

Offensive Wirtschaftspolitik Im Rahmen einer offensiv geprägten Wirtschaftspolitik verfolgt die bayerische Staatsregierung vier strategische Hauptziele: Kostenentlastung der Wirtschaft im globalen Wettbewerb

Hierbei handelt es sich um die nächste, konsequent auf die „HighTech-Offensive“ und die Offensive „Zukunft Bayern“ folgende Stufe offensiver bayerischer Innovationspolitik. Durch die Clusterpolitik wird das bestehende Angebot an staatlichen Maßnahmen zur Innovationsförderung durch die Organisation der Netzwerkbildung von Wirtschaft und Wissenschaft ergänzt. Grundsätzlich lassen sich die Cluster unterteilen in High-Tech-Cluster z. B. Biotechnologie, Luftund Raumfahrt, Medizintechnik, Umwelttechnologie


Wirtschaftsstandort Bayern

17

Europäisches Patentamt

Nürnberg

Produktionsorientierte Cluster z. B. Automotive, Energietechnik, Logistik, Sensorik Querschnittstechnologien z. B. Nanotechnologie, Neue Werkstoffe, Mechatronik Mit der Clusterpolitik sollen Impulse gesetzt werden, um die Dynamik zwischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen zu intensivieren und Kooperationsmöglichkeiten zu optimieren.

Für die Zukunft gerüstet Die Struktur der bayerischen Wirtschaft ist robust und zukunftsorientiert. Ein produktives Netz aus „Global Playern“ und eine breite Schicht leistungsfähiger kleiner und mittlerer Unternehmen in Industrie, Handwerk und Dienstleistungsgewerbe sichert wirtschaftliche Stärke. Im Industriebereich dominieren

Wieskirche

Flughafen München

Messe München

Branchen wie Automotive und Maschinenbau, Bio- und Medizintechnik sowie Energie- und Verkehrstechnik. Im Dienstleistungssektor nimmt Bayern als Versicherungs-, Banken- und Börsenplatz in Deutschland Spitzenplätze ein. Die Infrastruktur ist in den Schlüsselbereichen Verkehr, Energie und Telekommunikation erstklassik. Die große Zahl ausländischer

Unternehmen, die sich in den letzten Jahren und Jahrzehnten im Süden Deutschlands niedergelassen haben, beweist die hohe Attraktivität Bayerns als internationaler Innovationsstandort für hochwertige Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten und Produktionen. Last but not least verfügt Bayern über eine Vielzahl attraktiver „weicher“ Standortfaktoren: ein Kulturangebot von Weltrang, intakte Umweltbedingungen, einen hohen Freizeitwert, Weltoffenheit, innere Sicherheit sowie soziale und politische Stabilität.

Quelle: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie


18

Der Lehrstuhl Polymere Werkstoffe an der Universität Bayreuth

Lehrstuhl Polymere Werkstoffe

Anwendungsnahe Forschung mit Zukunft Der Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe an der Universität Bayreuth unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt ist eine der Komponenten des Studiums der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik als Bachelor sowie Material Science and Engineering im Master an der Universität Bayreuth. Das hervorragende Betreuungsverhältnis zwischen Professoren und Studenten ermöglicht früh Einblicke in die einzelnen Forschungsbereiche an den Lehrstühlen. Beispielsweise können die Studenten bereits während des Studiums in den Studien- und Projektarbeiten an aktuellen Themenstellungen mitwirken und diese so vertieft kennen lernen. Schwerpunkte des Lehrstuhls sind die Forschung und Entwicklung

Carbon-Faser-Gewebe

von Polymerwerkstoffen auf thermoplastischer und duroplastischer Basis. Hierbei steht die anwendungsnahe, zielgerichtete Forschung im Mittelpunkt.

Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften an der Universität Bayreuth

So geht bei der Entwicklung neuer Reinharzsysteme der Trend aktuell zur Verbesserung der Zähigkeit sowie zu schnelleren Zykluszeiten bei der Herstellung. Die dadurch optimierten Harzsysteme werden anschließend beispielsweise durch das RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) zu FaserverbundStrukturen verarbeitet. Dieses Verfahren wird aktuell vor allem bei Bauteilen, bei denen es auf eine kurze Zykluszeit ankommt, eingesetzt. Aber auch bei Anwendungen in der Luftfahrt werden immer häufiger Faserverbundstrukturen verwendet, um Gewicht am Flugzeugrumpf einzusparen. So können bei gleichem Startgewicht mehr Personen in einem Flugzeug transportiert werden. Im Bereich polymerer Schäume wird beispielsweise untersucht,


Lehrstuhl Polymere Werkstoffe

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Partikelschaums

wie sich polymere Schaumstrukturen als Kernmaterialien in einem Sandwichaufbau verhalten. Gerade bei Windrädern sind solche Strukturen im Inneren für den Aufbau und die resultierenden Eigenschaften sehr wichtig. Nur in einem geeigneten Verbund können Windräder lange Laufzeiten mit großen Belastungen überstehen. Aber auch die Harze, aus denen die Windräder hergestellt werden, werden kontinuierlich verbessert, um beispielsweise in Offshore-Anwendungen die lange Einsatzdauer ohne Schaden zu überstehen. Bei der Schaumextrusion und dem Schaumspritzgießen werden innovative Polymere untersucht und verschäumt, die Materialien gegebenenfalls mit speziellen Nukleierungsmitteln versetzt oder über die Herstellung von Blendsystemen sowie deren zusätzlichen Kompatibilisierung eine Verbesserung der Eigenschaften erzielt. Auch neuartige Flammschutzmittel finden hier erstmals den Weg in das Bauteil. So werden für den Automobilinnenraum geschäumte Hart-Weich-Verbunde hergestellt. Auch Partikelschäume finden mittlerweile vermehrt Anwendung im Automobilbereich. Hier

forscht der Lehrstuhl im Bereich neuer Partikelschäume mit dem Ziel, aus bestehenden Polymeren Partikelschäume mit verbesserten Eigenschaften herzustellen. Dabei ist anwendungsbezogen vor allem die Gewichtseinsparung und Temperaturbeständigkeit von großer Relevanz. Aus losen, expandierten Kunststoffperlen entstehen mittels Wasserdampf und durch die Wirkung von Temperatur und Druck homogene Formteile. Einen Partikelschaum, wie EPP, kann man aber auch dort finden, wo man es auf den ersten Blick gar nicht vermutet, wie beispielsweise in Fußballstadien, in denen expandiertes Polypropylen eine ideale Unterlage für Kunstrasen darstellt. Solche EPP-Bodenplatten bestechen nicht nur mit ihrer Dämpfungswirkung, sie sind auch sehr leicht und lassen sich kostengünstig und umweltfreundlich transportieren. Ein weiterer Vorteil: Die EPP-Bodenplatten können, wie Mosaiksteine, problemlos aneinander gefügt werden. So entsteht in kürzester Zeit eine großflächige Unterlage für den Kunstrasen. Der Bayreuther Lehrstuhl beschäftigt sich aktuell mit der Einarbeitung von modifiziertem Graphen und der Erarbeitung grund-

19 legender Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften. So könnten Graphene in polymeren Schäumen als Additive interessante Eigenschaftsverbesserungen hinsichtlich der Dämmung ergeben. „Aber auch zur Herstellung leitfähiger Polymere könnte man sich das Additiv vorstellen“, so Professor Altstädt – einem hochspannenden Einsatzgebiet. Beide Bereiche zählen seit Jahren zu den Kernkompetenzen des Lehrstuhls und können nun mit einem neuen, innovativen Additiv erweitert werden. Bei all diesen Möglichkeiten, Materialien mit neuen Eigenschaften herzustellen, verfügt der Lehrstuhl weiterhin über die Möglichkeit, die notwendigen Materialcharakterisierungen selbst vorzunehmen. Hierfür stehen verschiedene Universal- und servohydraulische Prüfmaschinen zur Verfügung, mit denen unter anderem dynamische Messungen durchgeführt werden können. Damit lassen sich die Langzeiteigenschaften unter Belastung ermitteln. Auch das Kriechverhalten von Polymeren kann mittels neuester Technologie bestimmt werden. So lassen sich am Ende neue innovative Materialeigenschaften einstellen, mit deren Hilfe das tägliche Leben ein Stück einfacher wird. Informationen zum Studium und zu anderen am Studium beteiligten Lehrstühlen unter www.materials-bayreuth.de Autorin: Dipl.-Chem. Marieluise Lang

Universität Bayreuth Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe D-95447 Bayreuth sekretariat.pe@uni-bayreuth.de Tel: +49 921 55 7471 Fax +49 921 55 7473 www.polymer-engineering.de


22

Das Fraunhofer ISC – nachhaltige und effiziente Werkstoffe für die Produkte von morgen Deutschland steht nach dem ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts nicht nur vor der Energiewende, sondern auch vor der immer drängenderen Frage der gesicherten Rohstoffversorgung für die produzierende Industrie. Die Lösung von strategischen Fragestellungen und das Erarbeiten von produktionstauglichen Werkstoffalternativen sind Kernaufgaben des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC mit seinen Standorten in Würzburg, Bronnbach, Bayreuth, Alzenau und Hanau.

Fraunhofer ISC

Als Materialforschungsinstitut erschließt das Fraunhofer ISC neue Werkstoffpotenziale für seine Kunden. Der Fokus liegt dabei auf nichtmetallischen anorganischen Materialien wie Hochleistungskeramiken, Spezialgläsern, Glaskeramiken, anorganisch-organischen Hybridpolymeren und Nanokompositen (ORMOCER®e). Das akkreditierte Zentrum für Angewandte Analytik bietet über 50 etablierte Mess- und Analysesowie artefaktarme Präparationsverfahren und hochauflösende Elektronenmikroskopie. Das breite Leis-

Neue Verfahren ermöglichen die einfache Verkapselung von öligen und wässrigen Flüssigkeiten (©K. Dobberke für Fraunhofer ISC)

tungsspektrum und die Anwendungsorientierung machen das ISC seit Jahrzehnten zu einem kompetenten Partner für KMU und Großindustrie bei der Entwicklung innovativer Werkstoffe für neue Produkte.

Forschungsschwerpunkt Energie

Gedruckte Elektroden auf Aluminiumund Kupfersubstraten für eine neue Generation von Lithium-Ionen-Batterien (© K. Dobberke für Fraunhofer ISC)

Die Entwicklung von keramischen Faserverbundwerkstoffen für die Effizienzsteigerung in Kraftwerken oder in Antriebssystemen sowie die energiesparende und ressourcenschonende Verbesserung der keramischen Prozesstechnik wird derzeit durch den Ausbau unseres Fraunhofer-Zentrums für Hochtemperatur-

Leichtbau am Standort Bayreuth vorangetrieben. Ein weiterer zentraler Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung sicherer und intelligenter Batteriesysteme. Im Rahmen der Initiative „Aufbruch Bayern“ ist das Fraunhofer ISC mit dem Aufbau des Zentrums für Angewandte Elektrochemie Teil des Bayerischen Forschungs- und Entwicklungszentrums Elektromobilität. Darüber hinaus arbeitet das Fraunhofer ISC an der Energieeffizienz von Herstellprozessen und Produkten, beispielsweise die Wirkungsgraderhöhung von Solarmodulen mit funktionellen Beschichtungen


Fraunhofer ISC

23 Ressourcengebrauch statt Ressourcenverbrauch – die neue FraunhoferProjektgruppe IWKS

Forschungsschwerpunkt Gesundheit Im Fokus stehen Werkstoffe für die regenerative Medizin wie neuartige Wundauflagen, für die Diagnostik, z. B. biofunktionalisierte Nanopartikel zur Tumorfrühdiagnostik, oder für die Dentalmedizin wie z. B. neuartige Zahnfüllstoffe. Ein neuer Forschungsansatz sind steuerbare, aktive Materialien auf Silikonbasis. Mit dem Ausbau des Bereichs Gesundheit am Standort Würzburg um rund 300 m2 Laborfläche, teilweise mit GMPnaher Ausstattung, bietet das Fraunhofer ISC der Industrie beste Forschungsbedingungen in bilateralen Kooperationen und Verbundprojekten.

Forschungsschwerpunkt Umwelt Mit wenig Materialeinsatz eine große Wirkung zu erreichen und dadurch zum Beispiel Rohstoffverbrauch, Gewicht und aufwändige Produktionsprozesse einzusparen, ist ein wichtiges Ziel im Geschäftsbereich Umwelt des Fraunhofer ISC. Funktionelle Beschichtungen, der Einsatz intelligenter Materialien zur Reduktion mechanischer Komponenten, die Entwicklung schadstoffbindender Additive und sensorischer Materialien für Zustandsüberwachung und Umweltmonitoring sind typische Aufgabenstellungen. Mit dem Aufbau einer neuen

Elektronikschrott – um diese Quelle für wertvolle Sekundärrohstoffe zu erschließen, sind neue und intelligente Recyclingtechnologien notwendig (© K. Dobberke für Fraunhofer ISC)

Wickelkörper aus hochtemperaturbeständigen Keramikfasern in keramischer Matrix (© K. Dobberke für Fraunhofer ISC)

Fraunhofer-Projektgruppe in Alzenau rücken die Themen Wertstoffkreisläufe, Recyclingtechnologie und Ressourcenstrategie stärker in den Fokus der Forschung.

Fraunhofer-Zentrum für Angewandte Elektrochemie Das Fraunhofer ISC beschäftigt sich seit Anfang der 90er Jahre mit Materialforschung für Batterien, Doppelschichtkondensatoren und Brennstoffzellen. Ein Schwerpunkt der Anwendungen ist dabei gerade in letzter Zeit die Elektromobilität, speziell mit den Forschungsgebieten Lithiumionenbatterien und Hybridkondensatoren. Das ISC ist in das Netzwerk der Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität (Schwerpunkt Energiespeichertechnik) eingebunden. Das Zentrum für Angewandte Elektrochemie am Fraunhofer ISC in Würzburg soll themenübergreifend elektrochemische Prozesse und Verfahren weiterentwickeln und der Industrie den Zugang zu neuen Entwicklungen und Produkten eröffnen. Die elektrochemischen Verfahren sind für Beschichtungen, Oberflächenbearbeitung und zur Abtrennung und Aufbereitung von Batteriewerkstoffen von Bedeutung. Im Fraunhofer ISC steht darüber hinaus technisches Equipment zum Testen von Batteriematerialien und -zellen zur Verfügung.

Eine zuverlässige Versorgung mit Rohstoffen wie strategischen Metallen, Edelmetallen und Seltenen Erden ist für das Exportland Deutschland von höchster Wichtigkeit. Deshalb halten es Experten aus der Industrie wie auch aus der Wissenschaft für dringend erforderlich, die Versorgung mit Rohstoffen abzusichern. Die im Herbst 2011 gegründete Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS hat genau diese Aufgabe übernommen. Sie ist die Keimzelle eines zukünftigen Fraunhofer-Instituts am Bayerischen Untermain und im RheinMain-Gebiet, Standorte sind Alzenau und Hanau-Wolfgang. Auftrag der Projektgruppe IWKS ist der ökonomisch wie ökologisch sinnvolle Umgang mit Rohstoffen in der Industrie und die Wiederverwertung von Sekundärrohstoffen in produktionstauglichen Wertstoffkreisläufen. Erste Projekte mit Kooperationspartnern aus der Industrie zeigten bereits eindrucksvoll das wirtschaftliche Potenzial, das allein in der Optimierung der Rohstoffnutzung in der Produktion steckt.

Kontakt: Marie-Luise Righi Marketing und Kommunikation

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC Neunerplatz 2 97082 Würzburg Tel.: +49(0)931 4100-150 Fax: +49(0)931 4100-399 E-Mail: info@isc.fraunhofer.de


24

Polymerabgeleitete Keramiken

Polymer-Füller abgeleitete Keramiken Polymerabgeleitete Keramiken werden aus Si-Polymeren durch kontrollierte thermische Zersetzung und Strukturumbau (Thermolyse) hergestellt. Werden die hochvernetzten Polymere unter Luftausschluss bei Temperaturen auf 800 – 1200 °C erhitzt, wandeln sie unter Abspaltung der organischen Komponenten in amorphe anorganische Rückstände um, die je nach Ausgangszusammensetzung bei weiterer Temperaturerhöhung zur Kristallisation von Siliciumkarbid, -nitrid oder Siliciumoxykarbiden und -nitriden führen, Abb. 1. Für die Herstellung keramischer Hochleistungsmaterialien besonders geeignet sind auf Grund ihrer kostengünstigen industriellen Verfügbarkeit und Verarbeitbarkeit Polysiloxan-Polymere, die durch eine [-Si-O-] Kettenstruktur und eine hohe keramische Ausbeute von über 80 Masse % gekennzeichnet sind. Weitere Vorteile gegenüber konventionellen pulverbasierten Keramiktechnologien sind der Einsatz molekular maßgeschneiderter hochreiner Rohstoffe, flexible Polymer-Formgebung sowie wesentlich niedrigere Temperaturen für die Wärmebehandlung. Die mit der Polymer-Keramik-Umwandlung einhergehende starke Dichtezunahme stellt jedoch ein Grundproblem dar, dass zu starken Dimensionsänderungen sowie zur Poren- und Rißbildung führt und bisher die Entwicklung von Keramik-Bauweisen mit Ausnahme niedrigdimensionaler Produkte wie Fasern und Coatings stark erschwert hat.

Abb. 1: Zusammensetzung präkeramischer Si-Polymere und daraus durch thermische Zersetzung und Strukturumordnung hergestellte Keramikmaterialien

Die Forschungsarbeiten der Polymerkeramik-Arbeitsgruppe am Lehrstuhl für Glas und Keramik befassen sich mit dem innovative Lösungsansatz, durch Einbau reaktiver Füllerkompenten die Strukturumbauprozesse und die dadurch hervorgerufenen Dimensionsänderungen so genau zu steuern, dass eine maßhaltige Fertigung auch größervolumiger Komponenten möglich wird (Füller-gesteuerte Reaktionspyrolyse). Füllstoffe auf der Basis reaktiver Metallpulver und intermetallische Phasen reagieren dabei mit den bei der Polymerpyrolyse abgespaltenen organischen Zersetzungsfragmenten unter Volumenzunahme. Dabei bilden sie ein perkolierendes Gerüst der Reaktionsphasen aus, das sowohl den Stoff- und Wärmetransport verbessert als auch transiente Dimensionsänderungen stabilisiert, Abb. 2. Dadurch ist es erstmals

gelungen, lineare Dimensionsänderungen kleiner 0.05 % zu erreichen und eine form- und größeninvariante Bauteilfertigung zu begründen. Aber auch für die Bildung von Verbundmaterialien wie z.B. faserverstärkte Keramiken sowie Keramische Schäume bildet die Lösung des Dimensionsvarianz-Problems die Grundlage für die Entwicklung neuer Materialien und Bauteile.

Abb. 2: Modelle der Füllerverteilung in polymer-füller abgeleiteten CompositKeramiken


Polymerabgeleitete Keramiken Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die Fülllerkomponente zur Eigenschaftsoptimierung zu nutzen. Die Steigerung von Bruchzähigkeit, Bruchfestigkeit sowie Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit ermöglicht es, Materialien auf ihr spezifisches Belastungsprofil hin maßzuschneidern. Besonders interessant erscheint die Steuerung des elektrischen Verhaltens. Beispielsweise kann durch Einstellung isolierender oder perkolierender Verteilung der Füller und ihrer Reaktionsprodukte der elektrische Widerstand in weiten Grenzen vom Isolator (> 108 Ωcm) über Halbleiter bis zum Elektronenleiter (< 10-2 Ωcm) variiert werden. Spannungs- und temperaturabhängige Tunneleffekte an den Füllergrenzflächen ermöglichen piezoresisitves Verhalten, das zur Entwicklung von Druck- und Schwingungssensoren bei extremen thermischen und mechanischen Belastungsszenarien genutzt werden soll. Darüber hinaus können auch biologisch aktive Füllerkomponenten eingebaut werden, die für poröse Trägerstrukturen in der Knochenregeneration von großem Interesse sind. Ent-

Abb. 3: Beispiel für Funktionsbauweisen abgeleitet aus Polymer-Füller Systemen: elektrisch leitfähiger Keramikschaum

wicklungspotentiale liegen auf besonders innovativen Ansätzen zur Selbstheilung über metastabile Füllerkomponenten, die in der Lage sind, herstellungs- oder belastungsbedingte Schädigungsrisse durch eine lokale Regenerationsreaktion wieder zu schließen und damit die initialen Material- und Bauteileigenschaften wieder zurückzugewinnen. Durch die hohe Maßhaltigkeit wird der Einsatz formenfreier generativer Fertigungsverfahren wie z.B. das dreidimensionale Drucken (3D Printing) oder die Mehrschichtlaminatstrukturierung (LOM) besonders begünstigt, Abb. 4.

25 Ein zusätzlicher Vorteil präkeramischer Polymere liegt in ihrem Potenzial sie mit anderen innovativen Materialien, wie z.B. präkeramische Papiere, die vom Lehrstuhl für Glas und Keramik und der Papiertechnischen Stiftung in München entwickelt wurden, zu kombinieren. Besonders geeignet sind die daraus erzeugten Composite für die Herstellung ultraleichter Bauelemente mit hoher Steifigkeit, wobei die gesamte Breite etablierter Formgebungsverfahren der Papiertechnologie genutzt werden kann. Die Grundlagenorientierten Forschungsarbeiten bieten die Basis darauf aufbauender Anwendungsund produktorientierter Entwicklungsprojekte, die in enger Kooperation u.a. mit bayerischen Unternehmen durchgeführt werden.

Autoren:

Prof. Dr. Peter Greil

Priv. Doz. Dr. Nahum Travitzky

Dr.-Ing. Tobias Fey

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Glas und Keramik)

Abb. 4: Beispiele von Polymer-Füller abgeleiteten Keramik-Bauweisen hergestellt durch LOM aus präkeramischen Folien (oben) sowie durch 3D-Printing (unten)

Martensstr. 5 91508 Erlangen Tel. 09131-8527543 www.glass-ceramics.uni-erlangen.de


26

Mechanische Eigenschaften von Faserkompositen verbessern

Faserkompositen

Bisher haben sich die Materialwissenschaften hauptsächlich darauf konzentriert, die bekannten Werkstoffe schrittweise besser und leistungsfähiger zu machen. Inzwischen wird jedoch immer deutlicher, daß die Entwicklungsmöglichkeiten von klassischen Materialien zusehends hinter den steigenden Erwartungen hinsichtlich Umweltverträglichkeit, Ressourceneffizienz und gewünschten neuartigen Materialfunktionen zurückbleiben. Materialien mit stark konkurrierenden Eigenschaftskombinationen, wie zum Beispiel geringstes Gewicht gepaart mit höchster Festigkeit oder normalerweise elektrisch nicht leitfähige Kunstoffe mit hoher Leitfähigkeit, rücken immer mehr in den Fokus des Interesses. Klassische Werkstoffe können bei derartigen Anforderungen immer weniger mithalten. FutureCarbon ist der führende Anbieter von maßgeschneiderten Superkompositen auf Basis von Kohlenstoff-Nanomaterialien. Die Materialklasse der KarbonSuperkomposite umfaßt Kombinationswerkstoffe, die die besonderen Eigenschaften von Kohlenstoff in der Nanowelt, wie z.B. eine vielfach höhere Festigkeit als Stahl oder eine um Größenordnungen höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit als Kupfer, in der makroskopischen Welt der realen Anwendungen zur Entfaltung bringen. Die von FutureCarbon entwickelten und produzierten KarbonSuperkomposite sind neuartige Hochleistungswerkstoffe mit besonderen mechanischen, elektrischen und/oder thermischen Eigenschaften für die weiterverarbeitende und anwendende Industrie. Mit der Entwicklung von CarboForce ist FutureCarbon der Durchbruch gelungen, die mechanischen Eigenschaften von Reaktivharzen grundlegend zu verbessern. Die Produkte der CarboFor-

ce-Familie sind kohlenstoff-funktionalisierte Polymersysteme (z.B. auf Basis von Epoxid– oder Cyanatesterharzen), die anstelle von Reinharzen als Matrixmaterialien beispielsweise für die Herstellung von GFK- oder CFK-Komponenten zum Einsatz kommen und diesen zu bislang unerreichten mechanischen Eigenschaftsverbesserungen verhelfen. Zentrale Werkstoffeigenschaften des Verbundsystems, wie zum Beispiel die Bruchfestigkeit und die interlaminare Scherfestigkeit – um an dieser Stelle nur zwei charakteristische Eigenschaften zu nennen, die sich signifikant verbessern lassen – können um durchschnittlich etwa 50% gesteigert werden. Mit der Verbesserung der mechanischen Kennwerte geht auch eine starke positive Veränderung der thermischen Eigenschaften des Kompositmaterials in Richtung deutlich höherer Einsatztemperaturen einher. Besonders hervorzuheben sind jedoch die Ergebnisse in Bezug auf das Ermüdungsverhalten von

GFK/CFK-Komponenten (Fatigueverhalten = Strukturschädigung unter zyklischer Last), das um mehrere hundert Prozent verbessert werden kann. Vergleichsuntersuchungen, wie sie zum Beispiel an CFK-Streben für Luft- und Raumfahrtanwendungen durchgeführt wurden, belegen diese Ergebnisse eindrucksvoll. Die untersuchten Streben (Abb. 1) sind in ihrem mechanischen Aufbau identisch und unterscheiden sich nur hin-

Abb. 1: CFK-Streben – A: Referenzstrebe mit Reinharzmatrix, B: Teststrebe mit kohlenstoff-funktionalisierte Harzmatrix (CarboForce)


Faserkompositen sichtlich der verwendeten Harzmatrix: Bei der Referenzstrebe A ist das Kohlefasergelege von Reinharz umschlossen, bei Strebe B wird ein kohlenstoff-funktionalisiertes Harz (CarboForce) verwendet. Im Ermüdungstest werden die Streben einer definierten zyklischen Biege-, Streck- oder Stauchbelastung unterworfen. Die Anzahl der Lastwechsel bis zum Materialversagen ist ein Maß für die Ermüdungsbeständigkeit. Ein derartiges Materialversagen kündigt sich nach einer entsprechenden Anzahl von Lastwechsel-

Abb. 2: Vorrichtung für Lastwechseltests, im Vordergrund Wärmebildkamera zur Beobachtung des Temperaturverhaltens der Testobjekte

zyklen durch eine deutliche Erwärmung an der sich ausbildenden Bruchzone im Bauteil an, die durch den starken Anstieg der inneren Reibung im Kohlefasergelege im Verlauf des fortschreitenden Integritätsverlusts der Faserstruktur hervorgerufen wird (Abb. 2).

27

Abb. 4: Wärmebild der Teststrebe mit CarboForce-Harzmatrix nach 25.000 und 55.000 Lastzyklen, keine Veränderung des Temperaturprofils und der mechanischen Stabilität

Die Abb. 3 zeigt die Thermografie der Referenzstrebe mit Reinharzmatrix nach 25.000 (a) und 55.000 (b) Lastwechseln. Der deutlich erkennbare Temperaturanstieg im oberen Teil der Strebe aufgrund der rapide zunehmenden Faserdefekte (b) kündigt den bevorstehenden vollständigen Materialbruch und die Zerstörung des Bauteils an. Im Vergleich zum Referenztestergebnis zeigt die mit einer CarboForce-Harzmatrix ausgerüstete Strebe nach 55.000 Biegezyklen keinerlei Veränderung des Temperaturprofils und der mechanischen Stabilität. Ermüdungserscheinungen entwickeln sich hier erst nach ca. 300.000 Zyklen. Die Tests zeigen eindrucksvoll den großen Einfluß, den die Harzmatrix auf die Stabilität von CFK- und GFK-Bauteilen aus-

übt. Gleichzeitig werden die enormen Verbesserungspotenziale deutlich, die auf Kohlenstoffbasis mechanisch funktionalisierte Harzsysteme bergen. Diese Erkenntnisse eröffnen vollkommen neue Perspektiven für das Design leichter und hochfester Komponenten, nicht nur für den Luft- und Raumfahrtbereich, sondern auch für Anwendungen in der Automobilindustrie oder den Bau von Windkraftanlagen. Wie alle Erzeugnisse von FutureCarbon werden auch die CarboForce-Produkte in industriellem Maßstab hergestellt, wodurch Serientauglichkeit und Wirtschaftlichkeit gewährleistet sind.

Kontakt: Birgit Krauß Marketing & Communication

FutureCarbon GmbH

Abb. 3: Wärmebild der Referenzstrebe mit Reinharzmatrix nach 25.000 und 55.000 Lastwechselzyklen, deutlicher Temperaturanstieg zeigt Entwicklung der Bruchstelle an

Gottlieb-Keim-Straße 60 95448 Bayreuth Deutschland Tel.: +49 (0)921 507388-0 Fax: +49 (0)921 507388-99 info@future-carbon.de www.future-carbon.de


28

Fertigung innovativer Bauteile aus hochfesten Stählen Biegen und Schneiden – Risse vermeiden

Stahlwerkstoffe

Verwendung hochfester Stahlwerkstoffe für Strukturbauteile Die konsequente Umsetzung fortschrittlicher Leichtbaukonzepte gewinnt in der Automobilindustrie zunehmend an Stellenwert. Insbesondere vor dem Hintergrund steigender Preise für Energierohstoffe und verschärfter Umweltauflagen mit dem Hauptaugenmerk auf die Reduktion des CO2-Ausstoßes steht die Industrie vor dem Zielkonflikt, Automobile ökonomisch, ökologisch vertretbar und vor allem auch mit höchsten Sicherheitsanforderungen zu fertigen. Ein großes Potenzial zur Reduktion des Kraftstoffausstoßes und damit verbunden des Treibhausgases CO2 stellt die Verringerung des Gesamtfahrzeuggewichts dar. Gleichzeitig darf jedoch die Bauteil- und Crashperformance des Fahrzeugs nicht beeinträchtigt werden. Diese Anforderungen werden durch die Entwicklung hochfester Stahlwerkstoffe, die sich aufgrund ihres festigkeitsbedingten, signifikanten Leichtbaupotenzials im Bereich sicherheitsrelevanter Strukturkomponenten etabliert haben, erfüllt. Die Verarbeitung hochfester Stahlblechwerkstoffe erfolgt beispielsweise durch Schneiden, Biegen sowie mehrstufige Verfahrensfolgen aus Schneiden und Biegen, die in Abhängigkeit des betrachteten Bauteils oftmals in Wechselwirkung stehen. Hierbei tritt in Abhängigkeit des Werkstoffkonzepts, dessen Mikrostruktur

Abb. 1: Grenzformänderungsschaubild mit eingetragenen Formänderungszuständen definierter Biegeparameter

sowie den Verarbeitungsbedingungen ein komplexes Schädigungsund Versagensbild auf, welches die Produkt- und Prozessauslegung im Vergleich zu konventionellen, weichen Stahlwerkstoffen vor grundlegende Herausforderungen stellt. Um kostenintensive Prozess- und Produktanpassungen in der Produktion zu vermeiden, ist daher bereits im Vorfeld der Serienanwendung eine praxisnahe, schnelle und effektive Evaluierung des Werkstoff- und Schädigungsverhaltens in mehrstufigen Schneid- und Biegefolgen erforderlich.

Beurteilung des Schädigungsverhaltens und praxisnahe Prozessauslegung Zurzeit wird in der FE-basierten Simulation die Gefahr von Reißern in Umformprozessen unter An-

nahme eines linearen Dehnpfades und ebener Dehnungszustände rein phänomenologisch durch Verwendung eines Grenzformänderungsschaubildes (GFS) basierend auf lokaler Einschnürung des Blechs abgeschätzt. Dahingegen kann das GFS für Versagensmechanismen wie Scher- und Trennbrüche und dreidimensionale Dehnungszustände, die während des Biegens und Schneidens bevorzugt auftreten, nicht angewendet werden. Des Weiteren zeigt sich, dass für das Biegen hohe Formänderungen an der Biegekante versagensfrei realisierbar sind, weil der Werkstoff sich homogen über die Umformzone verteilt und somit keine lokale Einschnürung auftritt. Es wird eine stark gedehnte Zone ausgebildet. Dies ist in Abb. 1 für die beiden unterschiedlichen hoch-


Stahlwerkstoffe

29

Abb. 2: Methodik zur kennwertbasierten Prozessoptimierung von Schneid- und Biegeoperationen

festen Stahlwerkstoffe A und B ersichtlich. Die Grenzformänderungskurven für beide Stahlwerkstoffe verlaufen ähnlich und unterschätzen das Biegepotenzial beider Stähle erheblich, wie an den ertragbaren Umformgraden ϕ1 im Biegeversuch deutlich wird, die bis zu ϕ1 = 0,75 betragen. Aus den aufgeführten Gründen ergibt sich die Notwendigkeit, eine alternative Methodik zur prozessnahen Evaluierung der Machbarkeit von Schneid- und Biegeoperationen an hochfesten Stahlwerkstoffen und deren rechnergestützter Prozessauslegung zu qualifizieren. Auf diese Weise soll ein fundiertes Verständnis für die Schädigungsmechanismen und die resultierende Verarbeitbarkeit bei derartigen Prozessfolgen erarbeitet und ein neuartiges Prozessauslegungswerkzeug basierend auf mathematischen Näherungsmodellen und Optimierungsverfahren entwickelt werden. Die angewendete Methodik ist in Abb. 3 dargestellt. Das Prozessprognoseprogramm, das auf mathematischen Näherungsmodellen basiert, wird das Prozessund Schädigungsverhalten der Werkstoffe in Abhängigkeit der wichtigsten Einflussparameter abschätzen können. Somit wird es dem Anwender möglich sein, den Prozess individuell anzupassen. Die umfangreichende Datengrundlage zur Entwicklung des Prozessprognoseprogramms wird durch eine numerische Sensitivitätsanalyse generiert. Die dazu aufzubauenden FE-Modelle für das Biegen und Schneiden müssen deshalb Schädi-

gungs- und Versagensmodelle beinhalten. Um diese Modelle zu validieren und kalibrieren, werden praxisnahe Modellversuche im Labormaßstab konzipiert, konstruiert und aufgebaut, in denen das Schädigungsverhalten experimentell analysiert wird. Hier ist es von besonderer Bedeutung, dass die Modellversuche Messdaten aufnehmen können, um diese mit den Simulationsmodellen kraft- bzw. dehnungsbasiert zu validieren.

Biegen hochfester Stahlwerkstoffe im Modellversuch Das für die Untersuchungen aufgebaute Biegewerkzeug stellt einen klassischen freien Biegeprozess dar, in dem der Stempel die rechteckige Probe durch die offene Matrize biegt, wie in Abb. 3 dargestellt. Durch die offene Gestaltung des Werkzeuges können die auftretenden Formänderungen an der am stärksten belasteten äußeren Randfaser der Biegeprobe in Ab-

Abb. 3: Aufbau des Freien Biegeversuchs mit integriertem optischen Dehnungsmesssystem

hängigkeit des Biegewinkels über den Prozessverlauf durch das optische Dehnungsmesssystem ARAMIS (GOM, Braunschweig) ermittelt werden. Die Prozesskräfte werden mittels einer integrierten Kraftmessdose am Stempel aufgezeichnet. Das modulare Konzept des Werkzeuges erlaubt es, signifikante Prozessparameter zu variieren und somit deren Einfluss auf das Prozessverhalten zu untersuchen. Von besonderem Interesse, auch aus industrieller Sicht zur Auslegung von Serienbiegeprozessen, sind vor allem der Biegefaktor c, definiert durch den Quotient aus innerem Biegeradius ri und Blechdicke s0, sowie die Orientierung der Walzrichtung (WR) der Blechprobe zur Biegelinie (BL). Um Rückschlüsse auf die Schädigungsmechanismen in Zusammenhang mit der Mikrostruktur des Gefüges ziehen und Aussagen über Risstiefe und –verlauf treffen zu können, werden Schliffbilder der Biegeproben senkrecht zur Biegelinie erzeugt, vgl. Abb. 4. Die Untersuchungen zeigen, dass durch eine Vergrößerung des Biegefaktors und mit Orientierung der Biegelinie quer zur Walzrichtung bei sonst gleichbleibenden Parametern eine deutliche Verbesserung der Biegeergebnisse bezüglich auftretender Risse für den Stahl B erreicht werden kann. Weitergehend zeigt sich in der Auswertung des gemessenen Dehnungsfeldes, dass dadurch niedrigere Verformungslokalisierungen an der äußeren Biegekante auftreten, so dass


Stahlwerkstoffe

30

Abb. 4: Metallographische Querschliffbilder der Biegeproben in Abhängigkeit des Biegefaktors und der Orientierung der Biegelinie zur Walzrichtung

eine homogenere Verteilung des Werkstoffs über die Umformzone begünstigt wird und im Umkehrschluss größere Biegeradien versagensfrei realisiert werden können.

Charakterisierung des Prozessverhaltens beim Scherschneiden Für eine praxisnahe Charakterisierung des Prozess- und Schädigungsverhaltens wird das in Abb. 5a schematisch dargestellte Werkzeug verwendet. In einem Säulenführungsgestell, das in eine hydraulische Presse eingesetzt wird, wird mittels eines Niederhalters, Stempels und einer Matrize der Scherschneidvorgang an hochfesten Stahlwerkstoffen durchgeführt.

Die benötigte Schneidkraft wird direkt über einen Piezokraftsensor am Stempel gemessen. Durch die Verwendung verschiedener Stempel und Matrizeneinsätze können Schnittgeometrie und Schneidspalt definiert eingestellt werden. Eine mögliche Stempelgeometrie mit einer L-Kontur ist in Abb. 5b dargestellt. Der Schneidspalt, der einen erheblichen Einfluss auf die erreichbare Schnittqualität besitzt, beträgt dabei u = (d2-d1)/2. Somit können sowohl Untersuchungen zur Optimierung des Schneidspalts hinsichtlich der Werkstückqualität durchgeführt werden, als auch die Auswirkungen einer Schneidspaltänderung, wie sie bei-

spielsweise im industriellen Serienprozess durch Werkzeugverschleiß erfolgen kann, analysiert werden. Die Abhängigkeit der Schnittkantenqualität vom Werkstoff, Schneidspalt und der Schneidkontur ist exemplarisch in den metallographischen Querschliffen in Abb. 6 dargestellt. Während die Stahlwerkstoffe A und B im GFS ein recht ähnliches Versagensverhalten aufweisen, zeigt der Stahl B bei einer Vergrößerung des Schneidspalts und bei offenen, geraden Schnittlinien Schädigungen an der Schnittkante. Bereits bei einem Schneidspalt von 8,5 % sind beim Stahl B unterhalb der Glattschnittzone leichte kerben-

Abb. 5: Aufbau des modularen Werkzeugsystems zum Scherschneiden (a) mit Stempel- sowie Matrizengeometrie einer exemplarischen Schnittkontur (b)


Stahlwerkstoffe

31

Abb. 6: Schnittkanten der Stahlwerkstoffe A und B im metallographischen Querschliff bei Variation des Schneidspalts

artige Einrisse zu erkennen, die in folgenden Prozessschritten, wie beispielsweise dem Biegen, zu einem Bauteilriss führen können. Bei gleichem Schneidspalt und offener Schnittlinie zeigt der Stahl B nach dem Schneidprozess ein Versagen durch Aufklaffen des Werkstoffs in der Bruchzone. Durch Kenntnisse zum Schädigungsverhalten in diesem praxisnahen Modellversuch

können Schädigungsmodelle in der Simulation kalibriert werden und somit das Prozessverhalten bereits vor Start einer Serienproduktion prognostiziert werden.

Fazit Die beiden beschriebenen Modellversuche zeigen eindeutig, dass sie das Schädigungsverhalten bei Umform- und Schneidprozessen pra-

xisnah abbilden können, während das GFS bei hochfesten Stahlwerkstoffen nicht geeignet ist, ein Versagen korrekt zu prognostizieren. Anhand der experimentellen Ergebnisse werden zurzeit am LFT FE-basierte Simulationsmodelle der Fertigungsprozesse abgeglichen, die dann als Grundlage zur Prozessprognose im industriellen Umfeld eingesetzt werden können.

Autoren:

Lehrstuhl für Fertigungstechnologie Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein

Dipl.-Ing. Ioannis Tsoupis

Dipl.-Ing. Sven Hildering

Egerlandstraße 13 91058 Erlangen Tel.: +49 (0) 9131 85-27676 Fax: +49 (0) 9131 85-27141 i.tsoupis@lft.uni-erlangen.de s.hildering@lft.uni-erlangen.de www.lft.uni-erlangen.de


32

Hybrid-Bauteile leisten einen Beitrag zur Materialeffizienz und Energieeffizienz

Hybrid-Bauteile

Die Energiewende stellt für Deutschland eine enorme Herausforderung dar. Materialeffizienz, Energieeffizienz, Multifunktionalität, Leichtbau und Nachhaltigkeit sind Megatrends, um dieser Herausforderung zu begegnen. Hybridbauteile spielen dabei eine wichtige Rolle. Hinter der Hybridtechnik steht die Idee, die vorteilhaften Eigenschaften unterschiedlicher Werkstoffe miteinander zu kombinieren und dabei die werkstoffspezifischen hochentwickelten Fertigungsverfahren und Fügeverfahren zu nutzen. Kunststoffe und Metalle haben hervorragende Eigenschaften, die sich gegenseitig ergänzen. Bei zunehmender mechanischer, korrosiver, thermischer und elektrischer Beanspruchung stoßen sie aber auch an ihre Grenzen. In diesem Fall macht es Sinn, beim Materialmix die keramische Komponente mit einzubeziehen. Die hohe Verschleißfestigkeit keramischer Werkstoffe erweitert die Leistungsgrenzen.

Keramikbeschichtete Bauteile für den Maschinenbau

Hybridbauteile aus Keramik, Metall und Kunststoff

Der hohe Elastizitätsmodul verleiht mechanische Stabilität auch unter thermischer Belastung. Die elektrische Isolationsfestigkeit erweitert die Grenzen der Kunststoffe. Wenn man als Konstrukteur das Potenzial der Hybridbauteile mit der Komponente Keramik erschließen möchte, sind einige Hinweise über die keramischen Werkstoffe und die keramiktypischen Formgebungsverfahren hilfreich. Eine interessante Formgebung sind keramische Beschichtungen auf Metallteilen. Die 100 bis 200 dicken Keramikschichten werden durch thermi-

sches Spritzen aufgetragen. Sie schützen die metallische Oberfläche gegen Verschleiß und trennen elektrisch auf kleinem Raum bis zu einer elektrischen Durchschlagsspannung von 1500 V. Die lamellenartige porenhaltige Schichtstruktur macht die Keramikschichten schlagfest. Entstehende Risse werden an den Poren gestoppt . Ihre Energie wird absorbiert. Die lamellenartige Schichtstruktur nimmt unterschiedliche Wärmedehnungen von Metall und Keramik bis 700 °C auf, so dass jeder metallische Werkstoff keramikbeschichtet werden kann. Bei korrosiver Umgebung wird die


Hybrid-Bauteile Keramikoberfläche durch Nanocomposites versiegelt. Bis zu 2 m lange Metallteile lassen sich mit Keramik beschichten. Kostenaufwändige Metallteile können bei Beschädigungen reparaturbeschichtet werden. Die Keramikschicht wird durch Sandstrahlen abgetragen und eine neue nur 100 µ dicke, Keramikschicht wird aufgetragen. Das ist ein wichtiger Beitrag zur Einsparung von Ressourcen. Die Klebetechnik ist ein bewährtes Fügeverfahren für Bauteile aus Aluminiumoxidkeramik und Zirkonoxidkeramik mit Metallteilen bei niedrigen Anwendungstemperaturen. Von Vorteil ist, dass die technologisch bedingten Schwindungstoleranzen der Keramik gut überbrückt werden können. Es gibt leistungsfähige Klebeautomaten, die für die Serienproduktion von Hybridbauteilen aus Metall und Keramik eingesetzt werden.

Hybridbauteile aus Keramik und Kunststoff durch Insertmoulding

Für das Fügen von Keramikkomponenten mit Kunststoffkomponenten bewährt sich das Insert-Moulding. Bei diesem Prozess werden Keramikspritzgussteile aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid im Werkzeug eingelegt und umspritzt. Aluminiumoxid hat eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit. Zirkonoxid hat eine gute Bruchzähigkeit und Kantenfestigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Der Keramikspritzguss bietet ein hohes Maß an 3D-Freiheit im Design des Funktions- und Fügebereichs.

33

Hybridbauteile aus Keramik und Metall durch Klebeverbund

Ein anschauliches Produktbeispiel für ein Hybridbauteil sind Changierfadenführer im Textilmaschinenbau. Fasergeschwindigkeiten über 8000 m/min stellen höchste Anforderungen an die Verschleißfestigkeit. Diese Hybridbauteile bestehen aus einem Plättchen aus hochverschleißfester Aluminiumoxidkeramik, das mit Polyamid mediendicht umspritzt wird. Polyamid mit seiner hohen Spannungsrißfestigkeit hat sich bei den hohen mechanischen Wechselbeanspruchungen hervorragend bewährt. Der Kunststoff-Fuß wird in einer Kehrgewindewalze geführt. An den Umkehrpunkten wird der Fuß einer Beschleunigung von 5g ausgesetzt. Der Fügebereich kann so gestaltet werden, dass das Plättchen bei diesen hohen mechanischen Belastungen hervorragend verankert wird. Der Funktionsbereich besteht aus einem birnenförmigen Schlitz, der die Chemiefaser sicher führt. Der Keramikspritzguss macht den Trend zu Mikrobauteilen möglich. So wird bei dem gefügeoptimierten Keramikwerkstoff Material und Energie eingespart.

Oft wird die Frage gestellt, ob Keramik und Metall miteinander gesintert werden können. Die Frage ist berechtigt. Co-Sintern ist möglich bei hochschmelzenden metallischen Werkstoffen, wie z.B. Platin. Ein interessantes Hybridbauteil ist der neu entwickelte Zünder für Pelletsöfen. Er besteht aus dem Bauteilträger aus Keramik, einer mäanderförmigen Heizleiterschicht aus Platin, die nach außen elektrisch isoliert wird mit einer dünnen Keramikfolie. Mit dieser Baugruppe wird eine Temperatur von über 1000 °C erzeugt. Die angesaugte Luft erreicht in kurzer Zeit die Zündtemperatur für die Pellets bei 700 °C. Autor: Dipl.-Ing. Friedrich Moeller

Rauschert Heinersdorf - Pressig GmbH Bahnhofstraße 1 96332 Pressig Tel.: +49 9265 / 78-342 E-mail: f.moeller@prg.rauschert.de


34

Stahl – ein High-tech Werkstoff

Werkstoff Stahl

Das ausgewogene Eigenschaftsprofil ist der Grund, dass der Werkstoff Stahl gegenwärtig und wohl auch in den nächsten Jahren der am meisten verwendete metallische Strukturwerkstoff des Maschinenbaus und des Bauwesens ist bzw. sein wird. Obwohl es schon heute unzählige Stahlsorten gibt, unternimmt die Stahlindustrie große Anstrengungen, neue und verbesserte Varianten bereit zu stellen. Ein erheblicher Teil dieser Entwicklungen wird von der Automobilindustrie initiiert. Die diametralen Forderungen, die Masse von Karosserien zu reduzieren, um den Treibstoffverbrauch der Automobile zu senken, als auch die Sicherheit der gebauten Strukturen zu verbessern, führten ab 1995 zu Erzeugung und Einführung neuer Stahlfeinblechsorten mit gesteigerter Festigkeit und verbesserter Verarbeitbarkeit (Umformen, Fügen, Beschichten). Abb. 1 zeigt einen Vergleich der 1995 und 2010 in Automobilkarosserien verbauten Stahlfeinbleche. Deutlich sind daraus die

Erfolge hinsichtlich gesteigerter Festigkeit und/oder Duktilität abzulesen. Dieser Beitrag versucht einen Überblick zu den wichtigsten Stahlfeinblechen im Automobilbau zu geben. Dabei sollen ihre Herstellung, die Mikrostruktur und die davon bestimmten Eigenschaften beleuchtet werden. Abgeschlossen wird mit einem Ausblick auf neue Entwicklungen.

Festigkeits- und Umformeigenschaften von Stahlfeinblechen Die auch gegenwärtig wichtigste Methode zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Stahlfeinblechen ist der Zugversuch. Aus der technische-Spannung (σ) – technische-Dehnung (ε) – Kurve werden die Dehngrenze (meist Rp0,2) – bei Sorten mit ausgeprägter Streckgrenze – die obere (Reh) und untere (Rel) Streckgrenze, die Zugfestigkeit (Rm) sowie die Gleichmaßdehnung (Ag) und die Bruch-

Abb. 1: Verwendung von Stahlfeinblechgüten im Automobilbau 1995 und 2010

dehnung (A80, A50, … je nach Probenlänge) bestimmt. Das Verfestigungsverhalten der Materialien wird aus einer parabolischen Näherung der wahre-Spannung (σW) – logarithmische-Dehnung (ϕ) – Kurve aus ln σW = ln k + n ln ϕ , k … Konstante, n … Verfestigungsexponent, bestimmt. Für Werkstoffe, deren Verfestigungsverhalten stark von ϕ abhängt, wird auch der Wert, nϕ1 −ϕ2, ermittelt aus einer lokalen Näherung zwischen zwei Dehnungswerten ϕ1 und ϕ2, zur Bewertung herangezogen. Das Verhältnis der Breiten- zur Blechdickenverformung, ϕB/ϕD, wird als r-Wert bezeichnet, der eine direkte Konsequenz der herstellungsbedingten kristallographischen Textur des Werkstoffs ist. Auch genannt plastische Anisotropie oder Lankford-Zahl, gehen hohe r-Werte mit guter Tiefziehfähigkeit des Stahlblechs einher. Zahlreiche weitere Charakterisierungsmethoden sind gebräuchlich, wie etwa Zugversuche zwischen – 40 °C und + 100 °C, Zugversuche bei Dehnraten bis zu etwa 100 s-1, Ermüdungsversuche, sowie ein- und mehrachsige Belastungsversuche, die zu Ermittlung von Grenzformänderungsdiagrammen dienen. Vor allem bei komplexen Umformoperationen zeigt sich, dass Kennwerte aus dem Zugversuch das Umformverhalten nur ungenügend genau charakterisieren. Biegen mit kleinen Biegeradien und das Streckziehen von Flügelflanschen führt vor allem in Anwesenheit von gestanzten Kanten zu unerwarteter Rissbildung in den umgeformten


Werkstoff Stahl Bauteilbereichen. Aus diesem Grund finden jüngst weitere Tests Eingang in Prüflabors. Beim Lochaufweitversuch wird ein gestanztes, gebohrtes oder erodiertes Loch mit einem konischen Dorn aufgeweitet. Die auf den Anfangslochdurchmesser d0 bezogene Änderung des Lochdurchmessers ∆d beim Auftreten eines Risses durch das Blech im Lochrand wird Lochaufweitdehnung genannt, ∆d λ =  ⋅100 %. d0 Bei gestanzten Löchern ermittelt man das Lochaufweitverhalten eines vorgeschädigten Materials. In Biegeversuchen wird mittels verschiedener Biegewerkzeuge meist der minimale Biegeradius – oft bezogen auf die Blechstärke – ermittelt, bei dem gerade noch kein sichtbarer Riss auf der Blechoberfläche sichtbar ist.

Verfestigungsmechanismen in Stahlfeinblechen Da vor allem eine erhöhte Festigkeit wichtige Beiträge zum Stahlleichtbau leistet, werden in diesem Abschnitt die nutzbaren festigkeitssteigernden Mechanismen erläutert. Die Einstellung des erwünschten Festigkeitsniveaus erfolgt durch eine kontrollierte Einstellung der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur. Stahl eröffnet dafür vielfältige Möglichkeiten, die sich aus der Austenitumwandlung bei der Abkühlung von hohen Temperaturen ergibt. Die grundlegenden festigkeitssteigernden Mechanismen sind: Mischkristallhärtung durch substitutionell oder interstitiell gelöste Legierungsatome, die zu einer Festigkeitssteigerung ∆σMKH führt. Oft findet man ∆σMKH = k √c , mit der Konzentration c des Legierungselements. Die Konstante k hängt (unter anderem) von der Art des Legierungselements ab. Verschiedene Legierungselemente können in ihrer Wirkung näherungsweise addiert werden. Mangan, Silizium und Phosphor sind die wichtigsten Legierungselemente in Kohlenstoffstählen. Phosphor kann allerdings versprö-

35

dend wirken, da es durch Segregation an den Korngrenzen die Kohäsionsfestigkeit benachbarter Körner herabsetzt. Man kann dies verhindern, indem ausreichende Mengen an Kohlenstoff und/oder Bor die Wanderung von Phosphor an die Korngrenzen unterbinden. Dies gelingt sehr gut bei den konventionellen hochfesten Stählen, wie z. B. bei den Bake-hardening (BH)- oder den höherfesten IFStählen. Interstitiell gelöster Kohlenstoff und Stickstoff erhöhen die Festigkeit des Eisens markant. Die Löslichkeit beider ist jedoch sehr gering und sie diffundieren auch bei Raumtemperatur im Eisengitter. Zu große Mengen führen zur Ausbildung von Fremdatomansammlungen in der unmittelbaren Umgebung von Versetzungen und/ oder zur Ausscheidung feiner Partikel. Dies führt zur Erhöhung der Festigkeit durch Alterung und geht oft mit dem unerwünschten Phänomen der Lüdersdehnung einher. Plastische Verformung bei Raumtemperatur führt zur Kaltverfestigung ∆σKV, die mit der Wurzel der durch die Verformung generierten Versetzungsdichte skaliert, ∆σKV ∝ √ρ. Da der Festigkeitsgewinn stets mit einer Reduzierung des Verformungsvermögens verbunden ist, wird die Kaltverfestigung nur sehr selten zur Einstellung des Festigkeitsniveaus von Stahlfeinblechen herangezogen. Ausnahmen sind partiell rekristallisierte oder lediglich erholte Güten. Eine hohe Versetzungsdichte ist für einen Gutteil der Festigkeit von Bainit, Martensit und angelassenem Martensit verantwortlich. Ein wichtiger Beitrag zur Festigkeit stammt von der Kornfeinung, ∆σKG = ky / √D. Die Konstante ky nimmt für ferritische Stähle Werte zwischen 10 und 20 N mm-3/2 an; D ist die Ferritkorngröße. Die Korngröße kann auf vielerlei Art eingestellt werden. Die Austenitkorngröße ergibt sich beim Warmwalzen aus einer Wechselwirkung

zwischen Verformung und (dynamischer) Rekristallisation. Der Abkühlpfad bis zum Haspeln des Warmbandes und die Haspeltemperatur kontrollieren die Bildung und das Wachstum des Ferrits bei der Austenitumwandlung. Kleine Austenitkorngrößen, die man durch Zusätze von Mikrolegierungselementen erhält, hohe Abkühlraten und niedrige Haspeltemperaturen führen zu kleinem Ferritkorn. Bei kaltgewalztem Band erreicht man bei der Rekristallisation feines Korn durch hohe Kaltwalzgrade und kleines Ausgangskorn. Die Festigkeit von Stahlfeinblech lässt sich auch durch feine Ausscheidungen steigern. Kohärente Teilchen müssen von den Versetzungen geschnitten werden, inkohärente werden umgangen. Üblicherweise werden in Stahlfeinblechen die Mikrolegierungselemente Niob, Titan und Vanadium in Form von (Ti, Nb, V)x (C, N)y-Teilchen ausgeschieden. Eine genaue Temperaturführung ist jedoch essentiell, um bei zu hohen Rekristallisationstemperaturen eine Vergröberung der Teilchen zu vermeiden, damit man ihre festigkeitssteigernde Wirkung nicht verliert. Die Kombination der eben bebeschriebenen Mechanismen wird bei der Umwandlungshärtung von Kohlenstoffstählen genutzt. In Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung und der Abkühlungsgeschwindigkeit aus dem Austenit- oder Austenit + FerritGebiet kann der Austenit in Ferrit, Perlit, Bainit oder Martensit umgewandelt werden. Ein Teil des Austenits kann sogar bei Raumtemperatur als Restaustentit stabilisiert werden. Die enorme Zahl von möglichen Mikrostrukturen führt zu einem sehr breiten Spektrum an mechanischen Eigenschaften. Die Festigkeit der Stähle kann damit um nahezu eine Größenordnung variiert werden. Transformationsindizierte Plastizität und Zwillingsbildung sind


Werkstoff Stahl

36

verantwortlich für die exzellente Duktilität von vollaustenitischen Stählen, oder Stählen mit etwa 10 – 20 % Restaustenit. Die bei der Umformung dieser Stähle angeregte (Rest)Austenit zu Martensitumwandlung sorgt für sehr hohe Verfestigung und Duktilität (TRIPStähle). Vollaustenitische Stähle zeigen bei der Umformung das Phänomen der mechanischen Zwillingsbildung. Während der Verformung kommt es zu einer Verfeinerung des Gefüges und dadurch zu einer starken Festigkeitszunahme bei gleichzeitig exzellenter Duktilität (TWIP-Stähle).

Stahlfeinbleche im Karosseriebau Weiche Stähle weisen sehr niedrige Streckgrenzen (Rp0,2< 140 MPa) auf und werden bevorzugt für komplex gestaltete Bauteile oder für großflächige Bauteile mit erwünschter niedriger Festigkeit (Motorhauben, Heckklappen) eingesetzt. Zwei Herstellkonzepte sind gebräuchlich (aluminiumberuhigte Stähle mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt (AK-LC), bzw. insterstitiell gereinigte Stähle (interstitial free, IF)). Je nach vorhandenen Glühaggregaten (Haubenofen, kontinuierliche Glühanlage, Feuerverzinkung) wird die chemische Zusammensetzung von Weichstählen gewählt. Konventionelle höherfeste Stähle umfassen phosphorlegierte LCGüten, höherfeste IF-Stähle, Bake-hardening-Stähle, mikrolegierte Feinkornstähle und Kohlenstoff-Mangan-Güten.

Abb. 2: Gefüge von höchstfesten Stahlfeinblechen der Festigkeitsklasse Rm = 780 MPa. (a) Dualphasenstahl DP780 (HCT780X), (b) Komplexphasenstahl CP780 (HCT780C), (c) TRIPStahl 780 (HCT780T)

Während erwartet wird, dass mischkristallverfestigte LC-Güten künftig kaum mehr eingesetzt werden, ist der Marktanteil der höherfesten IF-Stähle (wegen ihrer vorzüglichen Umformbarkeit), der Bake-hardening-Stähle (erhöhte Beulfestigkeit) und der mikrolegierten Sorten (niedrige Kosten) steigend. Je nach Stahlart liegen die Streckgrenzen zwischen 160 und 600 MPa. Bei Bake-hardening-Stählen ist eine Steigerung der Streckgrenze beim Einbrennlackieren um 10 bis 20 % möglich. Kohlenstoff-Mangan-Stähle werden in Europa kaum verwendet. Höchstfeste und ultra-hochfeste Stähle werden seit etwa 20 Jahren entwickelt und werden immer mehr im Automobilbau verwendet. Zu ihnen zählen die ferritischmartensitischen Dualphasen- (DP-), die Komplexphasen- (CP-), die TRIP- sowie die pressgehärteten Stähle mit Werten von Rm zwischen 600 (DP-Stähle) und 1600 MPa (vollmartensitische und pressgehärtete Stähle). Abb. 2 zeigt einige Mikrostrukturen dieser Werkstoffe, Abb. 3 fasst wichtige mechanische Kennwerte zusammen. DP-Stähle sind wegen ihres hohen Verfestigungsvermögens

gut geeignet für Tiefziehoperationen, sie sind aber nur bedingt für die Verformung mit hohen Biegeanteilen einsetzbar. CP-Stähle verhalten sich wegen ihrer mechanisch homogenen Mikrostruktur dazu gegenläufig. TRIP-Stähle lassen sich sowohl vorzüglich tiefziehen als auch gut biegen und sind daher für komplex gestaltete, hochfeste Strukturbauteile bestens geeignet (Abb. 4). Der borlegierte Vergütungsstahl 22MnB5 erreicht die zurzeit höchsten Festigkeiten aller Feinblechstähle und wird nach dem Warm(end)umformen

Abb.4: Vorgeschlagene Anwendungsfelder für DP-, CP- und TRIP-Stähle

der Bauteile im Gesenk der Umformpresse gehärtet, indem rasch von der Umformtemperatur auf Raumtemperatur gekühlt wird. Das resultierende Umwandlungsgefüge besteht aus Martensit und angelassenem Martensit. Sämtliche Varianten dieser Stahlklasse lassen sich oberflächenbeschichten.

Verwendung der Werkstoffe im Karosseriebau

Abb. 3: Mechanische Eigenschaften des DP-Stahls HCT780X, des Komplexphasenstahls HCT780C und des TRIP-Stahls HCT780T

Die Tabelle zeigt die Massenanteile der verwendeten Werkstoffe in der Karosserie der C- und E-Klassen von Mercedes-Benz jeweils in einem Vergleich des aktuellen Modells (W204 und W212) mit dem Vorgängermodell (W203 und W211). Die Anteile der höherfesten, höchst-


Werkstoff Stahl

festen und ultra-hochfesten Stähle sowie des pressgehärteten Stahls wurden beim Modellwechsel signifikant erhöht, der Anteil der Weichstähle dafür massiv gesenkt.

Gegenwärtige und künftige Entwicklungen Trotz ihrer günstigen Eigenschaften bei Tiefziehen werden gegenwärtig TRIP-Stähle mit verbesserten Lochaufweitdehnungen entwickelt. Dies ist vor allem dann herausfordernd, wenn gleichzeitig Festigkeiten von 1000 MPa und darüber angestrebt werden. Eine Möglichkeit diese Ziele zu erreichen, besteht darin, die polygonale, ferritische Matrix des Gefüges durch eine aus karbidfreiem Bainit zu ersetzen. Dazu sind eine ausgeklügelte Wärmebehandlung und eine auf die vorhandenen Glüheinrichtungen abgestimmte Zusammensetzung erforderlich. Eine andere vielversprechende Möglichkeit bezieht eine Wiedererwärmung des rasch abgekühlten Gefüges ein, um bei geeigneten Glühtemperaturen genügend Kohlenstoff in den Restaustentit umzulagern („quench and partitioning“, Q & P). Mit der so erzeugten Mikrostruktur (martensitischbainitische Matrix mit Restaustenitinklusionen) werden Zugfestigkeiten von über 1200 MPa erreicht bei gleichzeitig vorzüglicher Biege- und Tiefzieheignung. Stähle mit äußerst kleinen Körnern und/oder nanometerskaligen Ausscheidungen werden intensiv untersucht, da sie Streckgrenzenerhöhungen von über 30 % im Vergleich zum Ausgangsmaterial aufweisen können.

37

Stähle mit Mangengehalten zwischen 15 und 25 Masse-% werden seit 20 Jahren intensiv entwickelt. In Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung und der davon bestimmten Stapelfehlerenergie zeigen sie den TRIP- oder TWIP-Effekt oder eine Kombination beider. Diese Stähle weisen die höchsten bekannten Duktilitäten auf und erreichen dabei sehr hohe Festigkeiten. Allerdings werden sie zurzeit wegen der hohen Legierungskosten und ihrer Neigung zur Wasserversprödung im Automobilbau nicht eingesetzt. Darüber hinaus bereitet das Fügen dieser Stähle mit Kohlenstoffstählen erhebliche und derzeit noch nicht gelöste Probleme. Künftige Entwicklungen zielen auch auf eine Reduktion der Dichte der Stähle. Es zeigt sich allerdings, dass eine Reduktion der Dichte um 10 % durch die Beigabe von Aluminium den Elastizitätsmodul des Stahls um etwa den gleichen Wert senkt. Außerdem sind diese Stähle im gesamten Temperaturbereich des Herstellprozesses rein ferritisch, wodurch es keine Möglichkeit gibt, ihre Festigkeit durch eine Austenit zu Ferrit-Umwandlung einzustellen. Die Herstellung von StahlmatrixTeichenverbundwerkstoffen wird auch künftig eine große Herausforderung sein. Gegenwärtig gibt es keine abgesicherte Herstellroute, welche die klassischen metallurgischen Verfahrensschritte Stranggießen, Warm- und Kaltwalzen umfasst. Hoch- und höchstfeste Stähle werden eingesetzt, um die Versagenssicherheit der Karosserien in

Unfallszenarien zu erhöhen („Crash-safety“). Zur Beurteilung der Stähle werden aus ihnen Hohlstrukturen (crash boxes) gebaut und die durchschnittliche Längskraft ermittelt, die zum Knicken des Bauteils führt. Diese Kraft hängt von der belastungsgeschwindigkeitsabhängigen Fließspannung und der Wanddicke des Bauteils ab. Es zeigt sich, dass eine Verdoppelung der Fließspannung (durch den Einsatz von z.B. höchstfesten Stählen) eine Wandstärkenminderung um etwa 30 % ermöglicht. In dem Knickversuch darf das Bauteil nur gefaltet werden, es dürfen aber keine Risse auftreten. Daher reiht man die Stahlklassen hinsichtlich ihrer Versagenssicherheit derzeit nach ihrem Verhalten im Biegeversuch. Dies ist jedoch aus mechanischer Sicht nur zum Teil gerechtfertigt, da mit dem Biegeversuch keine schlagartige Belastung nachgebildet werden kann. Hier sind weitere Forschungsarbeiten durchzuführen, um einerseits die höheren Belastungsgeschwindigkeiten zu berücksichtigen und andererseits den Einfluss einer Vorschädigung der Gefüge bei der Bauteilherstellung auf die nachfolgenden Gebrauchseigenschaften besser zu verstehen. Künftig werden vermehrt solche Stähle zum Einsatz kommen, die eine sogenannte schadenstolerante Mikrostruktur aufweisen.

Autor:

Prof. Dr. mont. habil. Dr. rer. nat. h. c. Ewald Werner

Technische Universität München Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Werkstoffmechanik Boltzmannstraße 15 85748 Garching Tel.: 089 28915247 post@wkm.mw.tum.de


38

Wissenschaftliches Kompetenzbüro „Hybride Bauweisen“ bei MT Aerospace

Hybride Bauweisen

Worum geht es? Das Projekt „Kompetenzbüros Faserverbundwerkstoffe“ des Anwenderzentrums Material- und Umweltforschung (AMU, www.amuaugsburg.de) der Universität Augsburg, das von der Europäischen Union (ESF in Bayern) mitfinanziert wird, ist eine Kooperation zwischen Wissenschaft und produzierenden Unternehmen des Bereichs FaserverbundwerkstoffLeichtbautechnologie. Die Büros werden mit Wissenschaftlern der Universität Augsburg besetzt, um in ausgewählten Unternehmen und entlang deren Zuliefererund Kundenketten als „Keimzellen“ für die Entstehung gemeinsamer Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu fungieren. Primäre Zielgruppe des Kompetenzbüro-Projekts sind Unternehmen der aufstrebenden Faserverbundwerkstoffe-Branche, insbesondere kleine und mittlere. Über die Büros werden die Unternehmen dabei unterstützt, einerseits die Lücke zwischen einer Projektidee und ihrer Realisierung zu schließen; andererseits eröffnet sich ihnen dank der Vernetzung die Möglichkeit, an gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zu partizipieren. Von ausschlaggebender Bedeutung ist, dass die von der Universität in die Firmen „delegierten“ Wissenschaftler dort vor Ort Projektentwicklungen wesentlich effektiver

Ariane 5: Copyright ESA/CNES/Arianespace S. Corvaja

vorantreiben können, als dies der Fall wäre, wenn sie von außen agieren müssten. Während der Projektlaufzeit gab es fünf Büros. Eines bei MT Aerospace, eines bei SGL Carbon und drei beim Carbon Composites e.V. (www.carbon-composites.eu). Das Büro bei MT Aerospace (www.mt-aerospace.de) wurde am 15. Januar 2010 bis zum Ende der Projektlaufzeit Ende Juli 2012 durch Dr. Patrick Starke besetzt. Organisatorisch eingebunden war

das Projekt in den Bereichen Innovation & Technologie, sowie Business Development. Die Zusammenarbeit mit Mitarbeitern, angefangen vom Vorstand bis hin zu den Entwicklungsabteilungen von MT Aerospace war von Anfang an äußerst konstruktiv und wohlwollend, wodurch insgesamt ideale Bedingungen für das Erstellen von Förderprojekten gegeben waren. MT Aerospace ist eine Tochter der OHB Gruppe und hat einen


Hybride Bauweisen Jahresumsatz von etwa 130 Millionen Euro mit ca. 700 Mitarbeitern in fünf Standorten weltweit, wovon in der Augsburger Zentrale etwa 550 Mitarbeiter beschäftigt sind. MT Aerospace ist im Luft- und Raumfahrtbereich tätig, wobei letzterer den umsatzstärksten Bereich markiert. Etwa 10% beträgt der Lieferanteil am europäischen Ariane-Programm, für das MT Aerospace als größter Zulieferer außerhalb Frankreichs Strukturkomponenten und Drucktanks fertigt. Die Kompetenzen im Raumfahrtbereich erstrecken sich auch auf Strukturen und Druckbehälter für Satelliten. Im Luftfahrtbereich fertigt MT Aerospace unter anderem Wassertanks für nahezu die gesamte Airbusflotte. Daraus ist ersichtlich, dass bei Forschungsprojekten im Wesentlichen das Thema Leichtbau mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) und Metallen, bzw. hybriden Strukturen im Mittelpunkt steht.

Arbeitsinhalte Die Beteiligung von Dr. Patrick Starke an der Projektanbahnung umfasste dabei den gesamten Prozess der Antragstellung, angefangen bei der Konzeption der Vorhaben über die Bildung der Konsortien bis hin zur federführenden Erstellung der Anträge. Neben den Projekttätigkeiten wurden noch weitere Aktivitäten durchgeführt, die zur Bildung und Pflege des notwendigen Netzwerks, sowie zur Unterstützung von kleinen und mittleren Unternehmen der Faserverbund-Branche dienten. Dies umfasste unter Anderem die aktive Mitarbeit beim Carbon Composites e.V. und dessen Abteilung Ceramic Composites.

Projektergebnisse Im Rahmen des Kompetenzbüroprojektes wurden 16 Forschungsförderprojekte mit einem Ge-

Booster Demonstrationssegment in CFK: Copyright MT Aerospace

samtprojektvolumen von knapp 100 Millionen Euro mitgestaltet und bei den entsprechenden Projektträgern zur Förderung eingereicht. Acht Anträge davon waren bisher erfolgreich und führten zu laufenden Projekten. Drei Anträge befinden sich zum Zeitpunkt dieser Berichterstattung noch in der Prüfung. Die Projektanträge wurden bei bayerischen und deutschen Förderprogrammen verschiedener Fördermittelgeber eingereicht. Partner in den Projekten waren Forschungsinstitute, Universitäten und Unternehmen – sowohl große wie auch kleine und mittlere. Als Beispiel seien hier die beiden Projekte ComBo und ISAR genannt, die im Rahmen des BayernFIT-Programms des Bayerischen Wirtschaftsministeriums erfolgreich beantragt wurden, bei denen der bayerische Wirtschaftsminister Martin Zeil persönlich die Förderbescheide für das 7 Millionen Euro-Paket überreicht hat. Bei den genannten Vorhaben geht es um wegweisende neue Leichtbautechnologien (Faserverbund und Aluminium) für zukünftige kommerzielle Trägerraketensysteme.

Resümee Insgesamt war die Resonanz auf das Projekt sowohl von MT Aerospace, als auch von den weiteren Projektpartnern äußerst positiv. Die Ziele des spannenden Projektes wurden vollständig erreicht.

Autor: Dr. Patrick Starke

Anwenderzentrum Material- und Umweltforschung Universität Augsburg Universitätsstr. 1a 86159 Augsburg Tel: 0821 / 598 3591 E-mail: patrick.starke@amu-augsburg.de


I

n

t

e

r

n

a

t

i

o

n

a

l

e

F

a

c

h

m

e

s

s

e

f

ü

r

W

e

r

k

s

t

o

f

f

a

n

w

e

n

d

u

n

g

QdgtÞ ejgp"wpf"Rtqfwev"Gpikpggtkpi I

S

n

t

e

r

n

a

t

i

o

n

a

l

T

r

a

d

e

F

a

i

r

f

o

r

M

a

u

t

e

r

i

a

l

s

A

p

p

l

i

c

a

t

u r

f

a

c

e

T

e

c

h

n

o

l

o

g

y

a

n

d

P

r

o

d

c

t

E

n

g

i

n

e

e

r

i

n

g

i

o

n

s

,

e

n

,


Neue Materialien - Media Mind Magazinreihe