Materialforschung: Das Bauteil denkt mit

Materialforschung: Das Bauteil denkt mit

, aktualisiert 26. April 2016, 14:05 Uhr
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Neue Materialien gehören zum Tagesgeschäft des Fraunhofer-Instituts.

von Steffen ErmischQuelle:Handelsblatt Online

Leichter, kompakter, sparsamer: Mit funktionalen Materialien erschließen Ingenieure verbesserte Konstruktionsmöglichkeiten. Auch der Mittelstand erkennt zunehmend den großen Vorteil der besonderen Werkstoffe.

KölnWenn Alexander Czechowicz seine Arbeit erklären soll, spielt er gerne den Zauberer. Er holt einen verbogenen Draht aus der Tasche, hält ein Feuerzeug daran - und der Draht formt sich zu einem Herzen. Naturwissenschaftler kennen den Trick: Bestimmte Metalllegierungen nehmen je nach Temperatur unterschiedliche Strukturen an - und „erinnern“ sich dabei an vorher definierte Formen.

Czechowicz wirbt dafür, dass sich die Industrie diesen Effekt stärker zunutze macht - mit Erfolg. „Das Interesse an Formgedächtnisverbindungen hat in den letzten Jahren rasant zugenommen“, sagt Czechowicz, der in der Remscheider Forschungsgemeinschaft Werkstoffe und Werkzeuge (FGW) den Bereich Formgedächtnistechnik leitet.

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Auch der Mittelstand erkenne zunehmend den großen Vorteil der Drähte: Sie verrichten mechanische Arbeit, sind aber kompakter und leichter als etwa Stellmotoren oder Ventile. Gesteuert werden sie, indem elektrischer Strom angelegt wird, der das Metall erhitzt. Kühlt der Draht ab, nimmt er seine Ursprungsform an. Die Materialpreise seien stark gefallen, sagt Czechowicz: „In vielen Fällen lassen sich die Kosten für ein Bauteil senken.“

Formgedächtnislegierungen gehören zu einer Gruppe von Werkstoffen, die über besondere mechanische Eigenschaften verfügen und als „Smart Materials“ einen regelrechten Boom erfahren. Piezokeramiken zählen ebenso dazu wie Kunststoffe, die sich durch das Anlegen einer elektrischen Spannung verformen. Sehr gefragt sind auch Oberflächenbeschichtungen, die aerodynamische Eigenschaften eines Bauteils verändern können.

Pionier bei der Verwendung funktionaler Werkstoffe ist die Luft- und Raumfahrt: Hier kommt es darauf an, viel Technik auf kleinem Raum unterzubringen. Auch die Automobilindustrie treibt das Thema voran. Schon länger verwendet sie Piezokeramiken in Einspritzsystemen von Motoren. Der Leichtbau-Trend beschleunigt die Entwicklung - so wird die Technik auch bei Tankklappen oder elektrisch steuerbaren Außenspiegeln erprobt. In Massagesitzen werden Formgedächtnisverbindungen genutzt.

„Viele intelligente Werkstoffe haben einen Reifegrad erreicht, der immer mehr Anwendungen zulässt“, sagt Holger Kunze, Hauptabteilungsleiter Mechatronik am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. „Neue Simulationsmethoden und Konstruktionswerkzeuge ebnen den Weg zum Masseneinsatz.“ In der Initiative Smart³ arbeitet das IWU zusammen mit über 80 Forschungseinrichtungen und Unternehmen an Smart Materials. „Hier treffen Ingenieure auf Designer und Soziologen - das eröffnet neue Perspektiven“, sagt Kunze.


Sprechende Bauteile sind gefragt

Ein Demonstrator des interdisziplinären Teams zeigt, wie Architekten die Formgedächtnistechnik für eine energieautarke Verschattung von Glasfassaden nutzen könnten: Temperatursensible Drähte sorgen dafür, dass sich bei direkter Sonneneinstrahlung kleine Schirmchen öffnen. Ziehen Wolken auf, schließen sie sich automatisch wieder. Entwickelt wurde außerdem ein chirurgischer Sauger zur Entfernung von Hirntumoren durch die Nase. Er kann individuell an die Anatomie des Patienten angepasst werden.

An Medizintechnik arbeitet auch das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung: Die Würzburger Forscher haben einen Druckmessstrumpf für Diabetiker entwickelt, der mit 40 dünnen Sensoren ausgestattet ist. Diese bestehen aus sogenannten dielektrischen Elastomeren - einer Kunststoffverbindung, deren elektrische Kapazität sich durch Druck erhöht. Das Material kann indes auch für ganz andere Zwecke genutzt werden. So eignet sich Elastomerfolie dazu, um Wind- oder Wasserbewegungen in elektrische Energie umzuwandeln.

Großes Potenzial sehen Experten außerdem im Maschinenbau. So haben die FGW-Forscher zusammen mit einem Mittelständler eine Sicherheitsbremse aus Formgedächtnisverbindungen konzipiert. Das Bauteil bringt Maschinen im Notfall schnell zum Stillstand. „Bisher werden für solche Anwendungen oft wartungsintensive Druckluftsysteme verwendet“, sagt Czechowicz. „Mit den richtigen Materialien kämen viele Werkzeugmaschinen ganz ohne Pneumatik aus.“

Begünstigt werden Werkstoffinnovationen nach Einschätzung von Kunze durch den Trend zur Vernetzung: „Mit der Industrie 4.0 geht einher, dass man immer mehr Sensoren braucht.“ Smart Materials seien ideal, um Zustände zu erfassen - und darauf auch zu reagieren. Mit klassischen Bauteilen, so die Prognose des Fraunhofer-Experten, werden viele Maschinenbauer bald an ihre Grenzen stoßen.

Grundlagenforscher arbeiten indes schon daran, Materialien nicht nur das Fühlen, sondern auch das Reden beizubringen. „Bauteile könnten in Zukunft etwas über ihren Gesundheitszustand mitteilen, indem sie messbare Eigenschaften verändern“, sagt Jochen M. Schneider, Professor für Werkstoffchemie an der RWTH Aachen und Leiter der Arbeitsgruppe „Self Reporting Materials“ am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung.

So arbeitet das Team an einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff, der bei Flugzeugturbinen verwendet werden könnte. „Durch chemische Belastung verliert das Material an magnetischer Stärke“, erklärt Schneider. „Daraus kann man Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand und die Lebensdauer ziehen.“ Kommt ein passendes Messverfahren hinzu, wird der High-Tech-Werkstoff kommunikativ.

Quelle:  Handelsblatt Online
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