Smart Materials: Material mit Grips

Smart Materials: Material mit Grips

, aktualisiert 25. April 2017, 12:44 Uhr
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Zukunftstechnik: 24 Milliarden US-Dollar soll 2020 das Marktvolumen für Smart Materials allein in Nordamerika betragen.

von Thomas MerschQuelle:Handelsblatt Online

Noch steuert Software die Fertigungsprozesse in der Industrie. Bald aber sollen smarte Werkstoffe die Kommandos geben. Werden Sensoren, mit denen vernetzte Maschinen heute Daten sammeln und austauschen, bald überflüssig?

Der kleine Zusatz hat es in sich: Winzige Mengen Seltener Erden können die mechanischen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen stark verbessern. Ein Effekt, den Forscher an der TU Freiberg nutzen. Sie haben neue Legierungen mit einer speziellen Mikrostruktur entwickelt. Der Werkstoff lässt sich damit auch für einzelne Bearbeitungsschritte optimieren und kann viel leichter zu Blechen verarbeitet werden - ein Vorteil etwa in der Autoindustrie.

Der Trick mache zudem einige Prozessschritte überflüssig, erklärt David Rafaja, Professor am Institut für Werkstoffwissenschaft. Während die Legierung bei der Bearbeitung eher weich sei, sorgten gezielt eingestellte Mikrostrukturen im nächsten Schritt dafür, dass die erforderliche Festigkeit erreicht werde. „Das spart Zeit, Energie und senkt die Kosten“, sagt Rafaja.

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Smart Materials heißen solche neuen Werkstoffe, deren Eigenschaften sich schon in der Produktion als äußerst nützlich erweisen. Wie die Magnesiumlegierung mit ihren Mikrostrukturen können sie in der Fabrik Prozesse selbst auslösen oder diese sogar ersetzen. Für die Macher der Hannover Messe sind Smart Materials eine „Schlüsseltechnologie“: 70 Prozent der technischen Innovationen geschehen laut Messeveranstalter im Zusammenhang mit Werkstoffen.

Kühn wirken die Fragen und Visionen im Ausstellungsbereich „Smart Materials & Coatings“: Werden Sensoren, mit denen vernetzte Maschinen heute Daten sammeln und austauschen, bald überflüssig? „Wie wäre es, wenn Werkstoffe selbst sensorische Eigenschaften hätten?“

Dass solche intelligenten Materialien bald ganze Fabriken steuern, halten Experten für unwahrscheinlich. „Man muss nicht über eine Saturnexpedition sprechen, wenn man noch nicht einmal auf dem Mars gewesen ist“, sagt Thomas Völcker, Marketingmanager im Technologie- und Innovationsmanagement der Schreiner Group in Oberschleißheim. Das Unternehmen stellt Spezialetiketten her - auch RFID-Label, die in der Fertigung eingesetzt werden.

Ausgestattet mit der Funktechnik können Werkstücke Informationen für ihre weitere Bearbeitung senden - die Intelligenz wird quasi angeheftet. „Beispielsweise erhält der Bediener einer Maschine auf seinem Display eine Anweisung, welche Komponente er als Nächstes montieren muss“, sagt Völcker. Schon das sei ein „technologischer Quantensprung“.


Forschung im Team

Der Einsatz solcher auskunftsfähigen Komponenten stehe dabei noch am Anfang: „Die Umsetzungsquote in der deutschen Industrie liegt bei einem Prozent - bezogen auf die wirtschaftlich sinnvollen Einsatzmöglichkeiten.“

Mit einer Batterie versehene RFID-Label speichern gar Temperatur oder Feuchtigkeit, was der Überwachung von Kühltransporten dient. Auch in der Industrie sieht Völcker Einsatzchancen: Die Aufzeichnung von Umweltdaten könne helfen, die Fertigungssteuerung zu optimieren. „Bei sensiblen Produkten etwa in der Medizintechnik ließe sich kontrollieren, ob zugelassene Temperaturbereiche eingehalten wurden“, sagt er.

Werkstück plus RFID-Technik - das betrachtet Ralf Sauter, Industrieexperte bei der Beratung Horváth & Partners, auf absehbare Zeit als dominierende Technik bei intelligenten Werkstoffen: „Im besten Fall gelingt es so, von alleine den Weg durch die Produktion zu finden.“ Doch auch dass Werkstoffe dank besonderer physischer Eigenschaften selbstständig mit Maschinen kommunizieren, hält Sauter für möglich. Als Beispiel nennt er Elastomere, also elastische Kunststoffe: „Hier könnte es gelingen, gewisse Steuerungs- und Regelungswirkungen mit wenig Materialaufwand zu erreichen."“

Besonders interessant wird das für die Industrie, wenn tatsächlich teure Steuerungstechnik ersetzt werden kann - etwa Sensoren. Sauter sieht Unterhaltungselektronik, den Automobilsektor sowie die Luft- und Raumfahrt als wichtigste potenzielle Anwendungsfelder von intelligenten Werkstoffen. „Dort wird sich der Aufwand für das Optimieren der Smart Materials am ehesten lohnen.“

Defizite bei der Nutzung sehen noch die Marktforscher von Transparency Market Research. Es fehle die unterstützende Technik, heißt es in einer aktuellen Studie: „Einige Prototypen auf Basis von intelligenten Werkstoffen haben deshalb den kommerziellen Durchbruch nicht geschafft.“ Dem US-Markt trauen die Forscher am ehesten schnelle Fortschritte zu. Nordamerika werde bis 2020 mehr als ein Drittel des Weltmarktes ausmachen und auf gut 24 Milliarden US-Dollar zulegen.

Wie können kluge Werkstoffe ihre Wirkung voll entfalten? Dieser Frage geht der Freiberger Professor David Rafaja auch in einer neuen Forschungsallianz nach, an der die Technischen Universitäten in Dresden und Chemnitz sowie das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik beteiligt sind. 5,5 Millionen Euro Fördermittel stehen bereit. Experten für Materialien, Bauteile und Produktionstechnik kooperieren eng - eine Besonderheit: „In der Praxis kommunizieren die Verantwortlichen oft nicht miteinander, meist hat jeder nur den eigenen Prozessschritt im Blick“, so Rafaja.

„Wir wollen Werkstoffe vom Produkt her denken“, erläutert er. Die Chemnitzer Kollegen etwa bringen ihr Know-how in Sachen Fertigungstechnologie ein, die Projektpartner aus Dresden die Expertise bei der Auslegung der Bauteile. „Für die Arbeit an den Werkstoffen ist wichtig zu wissen, was in der Produktion technisch machbar ist“, sagt Rafaja. Als potenzielle Interessenten sieht er kleine und mittlere Unternehmen, die vom Markt gezwungen würden, immer individuellere Produkte zu entwickeln - und das ohne eine große eigene Forschungsabteilung: „Wir wollen auch zeigen, wie die Produktentwicklung vom Werkstoff über Bauteile effektiver, schneller und kostengünstiger gemacht werden kann.“

Bis 2020 läuft das Projekt. Doch der Materialexperte ist überzeugt, dass schon früher vorzeigbare Ergebnisse vorliegen: „Wir wollen im nächsten Jahr auf der Hannover Messe ausstellen“, sagt Rafaja. Und damit auch die Vision der Messemacher mit Fakten füttern.

Quelle:  Handelsblatt Online
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