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Werkstoffe nach Maß

17.09.1998 - (idw) Fraunhofer-Gesellschaft

Neue, leistungsfähige Werkstoffe haben eine Schüsselstellung für den technischen und wirtschaftlichen Fortschritt. Sie sind eine wesentliche Grundlage für die Entwicklung neuer Produkte. Auf der Messe Materialica vom 12. bis 15. Oktober in München präsentieren zehn Institute der Fraunhofer-Gesellschaft in Halle B-0, Stand C24/D25 Ergebnisse ihrer anwendungsbezogenen Materialforschung.


Mit dem numerischen Simulationsprogramm lassen sich Preß- und Sintervorgänge keramischer Bauteile optimieren. Oben ist die Dichteverteilung nach dem Pressen und unten der Verzug nach dem Sintern dargestellt. Die moderne Werkstofftechnik erzeugt nicht nur neue Materialgruppen, sie eröffnet auch traditionellen Werkstoffen neue Anwendungsfelder: Metall wird leicht, Keramik offenzellig und Kunststoff kratzfest. Werkstoffwissenschaftler und Ingenieure verfügen heute über vielfältige Möglichkeiten, um für unterschiedliche Anwendungen Materialien und Bauteile mit den gewünschten Eigenschaften zu entwickeln. Doch wie verhalten sich die neuen Materialien bei Beanspruchung? Wie lassen sie sich verarbeiten? Bei der Beantwortung dieser Fragen gewinnt die Simulationstechnik eine immer größere Bedeutung. Die Kombination von Simulation und werkstofflichen Experimenten ermöglicht schon in einem sehr frühen Entwicklungsstadium zuverlässige Aussagen über Sicherheit und Lebensdauer von Bauteilen sowie den optimalen Herstellungsprozeß.

Simulation gibt Auskunft über Bauteilverhalten.

Ein Beispiel: Das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut EMI, Freiburg, untersucht das Verhalten sicherheitsrelevanter Bauteile der Verkehrs-, der Luft- und Raumfahrttechnik in Crashsituationen. Ob der Zusammenprall zweier Autos, ein Flugzeugunfall oder Mikrometeoriteneinschläge auf Raumfahrzeuge - die verschiedenen stoßhaften Belastungen, die auf ein Bauteil wirken können, werden im Computer simuliert. In Verbindung mit experimentellen Untersuchungen kann so das Bauteilverhalten bei extremen Belastungssituationen vorhergesagt werden.

Auch Fertigungsprozesse lassen sich durch numerische Simulation optimieren - etwa das Sintern und Pressen von Pulverwerkstoffen. Egal ob Produkte aus Keramik, Kunststoff oder Metall gefertigt sind - Ausgangsstoff für viele Bauteile ist Pulver. Um das fertige Bauteil zu erhalten, muß das Pulver gepreßt und gesintert werden. Doch dabei verziehen sich die Teile häufig oder bekommen Risse. Das Freiburger Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hat ein numerisches Simulationsprogramm entwickelt, mit dem der komplette Herstellungsablauf im Computer nachgestellt werden kann. Die Ingenieure erkennen dabei Eigenspannungen, sowie verzug- oder rißgefährdete Stellen. Mit Hilfe dieser Informationen können sie dann sowohl den Preß- und Sintervorgang als auch die benötigten Werkzeuge optimieren. Das Programm bietet zahlreiche Vorteile: Aufwendige Experimente nach der Versuch- und Irrtum-Methode sind überflüssig, Entwicklungszeiten verkürzen sich und sogar komplexe Teile lassen sich ohne teure Nachbearbeitung formgenau und rißfrei herstellen.

Poröse Werkstoffe: Leicht und trotzdem stabil

Neben klassischen Werkstoffen wie Metall, Glas oder Keramik kommen immer mehr neue Materialien mit Spezialeigenschaften zum Einsatz. Dazu gehören unter anderem innovative Leichtbauwerkstoffe, wie zum Beispiel Metallschäume. Weltweit führend in dieser Technologie ist das Fraunhofer-Institut für Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen. Gemeinsam mit dem Unternehmen Karmann hat das IFAM ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von Aluminiumschaum-Sandwiches ASS entwickelt. Diese Neuheit könnte den Karosseriebau von Autos maßgeblich verändern. Denn die ASS sind extrem leicht, äußert steif und hervorragende Crash-Absorber. Karosserieteile aus Aluminiumschaum wiegen etwa 50 Prozent weniger als entsprechende Stahlteile, sind aber zehnmal stabiler. Auch das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz bearbeitet und charakterisiert Metallschaumteile.

Ein anderer Weg zu porösen Bauteilen führt über metallische Hohlkugeln. Diese Technologie setzt die IFAM-Außenstelle für Pulvermetallurgie und Verbundwerkstoffe in Dresden zur Aussteifung tragender Bauteile für den Gerätebau oder die Medizintechnik ein. Die Metallkugeln können im Gegensatz zu Schäumen gezielt angeordnet werden. Dadurch ist es möglich, Bauteile beanspruchungsgerecht zu konstruieren.

Neben Metall kann auch der Werkstoff Keramik netzartig strukturiert werden und als hochfester Leichtbauwerkstoff für strukturelle und funktionelle Anwendungen eingesetzt werden. Dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologie und Sinterwerkstoffe IKTS, Dresden, ist es gelungen, hochfeste Schaumkeramiken herzustellen. Diese Werkstoffe sind verschleißarm, hitze- und korrosionsbeständig. Sie können daher zum Beispiel als Filter für heiße und aggressive Flüssigkeiten und Gase sowie als Brennerelemente eingesetzt werden.

Zunehmende Bedeutung für Produkte von morgen gewinnen aber auch nachwachsende Rohstoffe. Sie schonen Ressourcen und sind biologisch abbaubar. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Teltow, entwickelt neue Werkstoffe aus Cellulose und Stärke. Cellulosefolien können zum Beispiel als Verpackungen oder Wursthüllen eingesetzt werden.

Schutz durch Beschichtungen

Viele Anwendungen erfordern Bauteile mit ganz speziellen Oberflächeneigenschaften. Neue Beschichtungs- und Bearbeitungsverfahren machen es möglich, spezielle Oberflächen für unterschiedlichste Zwecke herzustellen. Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, Würzburg, hat ORMOCERe, eine Stoffgruppe mit keramischen und polymeren Anteilen, bereits für zahlreiche Anwendungen maßgeschneidert. Sie dienen zum Schutz vor Kratzern, als dekorativer und spülmaschinenfester Lack für Kristallgläser oder zur Entspiegelung. ORMOCERe werden zur Beschichtung von Glas, Metall, Kunststoff, Holz oder Keramik eingesetzt. Beschichtungen helfen auch, die Lebensdauer stark beanspruchter Werkzeuge zu verlängern. Spezielle Schichten machen Bohrer verschleißfester, Formbauteile kratzfest und antihaftend. Im IWM werden beispielsweise Formwerkzeuge zum Heißpressen optischer Gläser durch hitzebeständige und verschleißfeste Hartstoffschichten geschützt. Damit Dichtungen und Umformwerkzeuge besser gleiten, fertigt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, gemeinsam mit dem IWM strukturierte Chromschichten an. Eine andere Möglichkeit, Reibung und Verschleiß zu reduzieren, hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen, gefunden: Durch Laserstrahlstrukturierung werden Mikroschmiertaschen in die Bauteiloberfläche eingebracht.

Neue Prüfverfahren sichern die Qualität

Wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung neuer Werkstoffe oder Schichten sind geeignete Prüfverfahren, mit denen die Qualität der neuen Materialien kontrolliert werden kann. Mit dem Barkhausenrausch- und Wirbelstrommikroskop, einer Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Saarbrücken, lassen sich Härte und Eigenspannungen von Werkstoffen für die Mikrosystemtechnik schnell und kostengünstig untersuchen. Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal, setzt Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie und Mikrosondentechnik ein, um Hochtemperatur-Werkstoffe auf Oxidation und Korrosion zu prüfen.

Ansprechpartner:

Dr. Angelika Leute
Telefon 07 61/51 42-1 53, Fax 07 61/51 42-1 10
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Wöhlerstraße 11, D-79108 Freiburg
email: leu@iwm.fhg.de
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