Werkstoffe und industrielle Anwendungen

Werkstoffe 07. 02. 2020

1. IWW-Kolloqium des Instituts für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnik am 15. November 2019 an der Technischen Universität Chemnitz

Das Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnik befasst sich mit der grundlegenden Entwicklung im Bereich des Werkstoffeinsatzes. Diese Thematik stand auch im Mittelpunkt des ersten IWW-Kolloqium, zu der ehemalige und aktuelle Mitarbeiter aus Forschungen und Entwicklungsarbeiten mit interessanten Aspekten vortrugen. Am Beispiel der Formgedächtnislegierung wurde gezeigt, wie eine optimale Anpassung der Grundlagenarbeit an die Anforderungen der Industrie erfolgreich ablaufen kann. Weitere Themen der Tagung beschäftigten sich mit der Verbesserung des thermischen Spritzens sowie den notwendigen Arbeiten für eine zukunftsfähige Antriebstechnologie. Hierfür werden umfassende Betrachtungen von der Rohstoffgewinnung über eine ökonomische Werkstoffverarbeitung bis zur ökologischen Nutzung in Betracht gezogen.

Das erstmals veranstaltete IWW-Kolloquium, zu dem die Professoren des Instituts Prof. Guntram Wagner, Professor Martin Wagner und Prof. Thomas Lampke etwa 100 Teilnehmer begrüßen konnten, stellte Werkstoffe und deren Anwendungen in der Industrie in den Vordergrund. Das Auditorium setzte sich aus Studenten, Mitarbeitern und ehemaligen Kolleginnen und Kollegen des Instituts für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik (IWW) sowie Kooperationspartnern aus Wissenschaft und Industrie zusammen. Der wichtige intensive Kontakt zwischen Hochschule und Industrie wird mit der Veranstaltung verbessert und Studierende haben die Möglichkeit, sich mit den Interessen der Industrie vertraut zu machen, aber auch die Arbeitsweise und Entwicklungsmöglichkeiten bei Tätigkeiten in der Industrie kennenzulernen.

(Bilder: TU Chemnitz / IWW)

 

Prof. Dr. Jörn Ihlemann, Prorektor für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs der TU Chemnitz, zeigte sich sehr erfreut über den sehr guten Zuspruch des ersten Kolloquiums. Mit dem Dialog zwischen Hochschule und Industrie soll unter anderem erreicht werden, dass Technologien schneller Eingang in die Praxis finden. Er betonte die gute Position der TU Chemnitz im Bereich der Werkstoffe, die nicht zuletzt durch zahlreiche Forschungsprojekte zum Ausdruck kommt, die in den letzten Jahren ausgeführt wurden.

Neues aus dem IWW

Einen Überblick über die Arbeiten des IWW gab Professor Guntram Wagner. Zu den insgesamt 22 neu gestarteten Projekten zählen additiv gefertigte Aluminium-Matrix-Verbundwerkstof­fe, PEO-Mischoxidbildung auf Magnesium, Ultraschallgießen von Aluminium-­Matrix-Verbundwerkstoffen, Verschleißwiderstand und Korrosionsbeständigkeit von Verbundwerkstoffen oder die Ermittlung von Kennwerten zur Beurteilung der Anodenauflösung. Inzwischen beschäftigt das Institut über 84 Mitarbeiter. Aus den 26 betreuten studentischen Arbeiten wurde die von Lisa-Marie Rymer mit dem Universitätspreis für ihre Masterarbeit zum Thema Rissausbreitung an der Professur Werkstoff und Oberflächentechnik ausgezeichnet. Alina Püschel erhält den Leonore Dießner-Preis der Fakultät für Maschinenbau der TU Chemnitz für ihre Masterarbeit.

Die Ausstattung des IWWs wurden unter anderem durch eine Experimentalpresse für hybride Werkstoffverbunde und eine Vakuumgießanlage für Aluminium-Matrixkomposite aufgerüstet. Auch die robotergestützte Galvanikanlage für die vollautomatische Elektrolytentwicklung wurde anlagentechnisch erweitert. Zu den wichtigen Ergebnissen des Jahres 2019 zählen darüber hinaus die Abschlüsse einer Habilitation und von drei Promotionen.

Für das Jahr 2021 ist am 24. und 25. März das 22. Werkstofftechnische Kolloquium WTK als wissenschaftlich-technische Veranstaltung geplant.

Smart Materials

Das von Dr.-Ing.  Christian Großmann 2009 gegründete Unternehmen ingpuls GmbH befasst sich mit Formgedächtnislegierungen. Ausgangspunkt war ein SFB-Projekt am Institut für Werkstoffe der Ruhr-Universität Bochum auf dem Gebiet der Formgedächtnislegierungen. Formgedächtnislegierungen sind spezielle metallische Werkstoffe, welche die Fähigkeit besitzen, nach einer großen Verformung ihre ursprüngliche Gestalt wieder herzustellen; sich also daran zu erinnern

Durch die funktionellen Eigenschaften der Formgedächtnislegierungen sind diese geeignet für Anwendungen in der Aktorik, aber auch für Bauteile, die eine große reversible Verformung aufweisen müssen, beispielsweise Katheter oder Führungsdrähte in der Medizintechnik.Inzwischen reichen die Aufträge des Unternehmens bis ins Jahr 2030 mit einem Volumen von mehr als 500 Millionen Euro. Die Einsatzgebiete der zu fertigenden Teile sind in unterschiedlichen Industriebereichen zu finden.

Ein erster Einsatz der Werkstoffart mit einer Millionenstückzahl pro Jahr war in der Auto­mobilindustrie in Form einer Feder. Dabei wurden nicht nur die reine Fertigung optimiert, sondern auch die Dokumentation und Fertigungssicherheit. Als elementare Erkenntnis ergab sich, dass das Wissen in der Industrie häufig rudimentär ist. Hier hilft die Arbeitsweise aus dem Hochschulbereich, sich zusätzliches Wissen aufzubauen und dies in die Produktion umzusetzen. Ingpuls beispielsweise erschmilzt den optimalen Werkstoff (unter Einsatz der eigenen wissenschaftlichen Kenntnis) und fertigt daraus die benötigten Produkte für die verschiedenen Kunden. Mit dieser Herangehensweise werden die vorhandenen Entwicklungspotenziale ausgeschöpft.

Mit dieser Vorgehensweise entstanden verschiedene Absperr-, Umschalt- und Mischventile mit Stückzahlen zwischen 30 000 (Umschaltventile) und knapp drei Millionen (Absperrventile). Im nächsten Schritt folgten Anwendungen beispielsweise für Haushaltsgeräte, Konsumerelektronik, Sicherheits­technik, Raumfahrt oder die Medizintechnik. Beeindruckend ist das Marktvolumen der Elemente, in denen Aktoren mit Formgedächtnislegierungen bereits heute zum Einsatz kommen, zum Beispiel in Wasserkochern (150 Mio. Euro), oder in Zukunft kommen werden, wie vor allem für Solarthermiedachziegel (> 10 Mrd. Euro).

Thermisches Spritzen

Prof. Dr. Christian Rupprecht, Technische Universität Berlin, stellte seine Arbeiten zur Entwicklung und Anwendung von hochkinetischen thermischen Beschichtungsverfahren vor. Diese Arbeiten führt der Vortragende unter anderem durch Betrachtung ergänzender Technologien wie Auftragschweißen oder Dünnschichttechniken durch.

Für das thermische Spritzen mit hoher Energie müssen die Verfahrensvorteil wie hohe Haftzugfestigkeit, geringe Porosität, hoher Auftragswirkungsgrad und starker Schichtzusammenhalt genutzt werden. Damit steigt beispielsweise die Eignung für den Einsatz als Korrosionsschutz. Dafür ist es notwendig, sich auch mit der Weiterentwicklung von Brennern zu befassen. Mit daraus entstehenden Komponenten lassen sich gleichmäßigere Schichten mit den gewünschten Eigenschaften (Porosität, Haftung, Werkstoffmischung, Schichtaufbau­rate) erzeugen.

Bei den durchgeführten Untersuchungen hat es sich gezeigt, dass ein offenes Düsenkonzept für das Hochgeschwindigkeitsflamm­spritzen sehr vorteilhaft ist. Die hohen auftretenden Scherkräfte in der Flamme sind eine der Eigenschaften, die zu feineren Partikeln führen. Daraus ergibt sich wiederum ein neues Einsatzfeld bei der Herstellung von feinen Pulvern. Die neuen Düsensysteme erlauben es, mit geringem Aufwand dem Strahl weitere Materialpartikel zuzugeben. So ist es beispielsweise gelungen, auch Faserwerkstoffe oder Naturstoffe wie Holz thermisch zu beschichten. Das Verfahren eignet sich auch für bestimmte Einsatzfälle zur Substitution von galvanisch aufgebrachten Schichten, zum Beispiel für Druckwalzen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Veränderungen durch die europäische Chemikalienverordnung REACh von Bedeutung.

Ein weiteres Betätigungsfeld im Zusammenhang mit Beschichtung ist die Prozessdiagnostik zur Steuerung und Optimierung des thermischen Spritzens. Erfassen lassen sich damit das Abschmelzverhalten, die Strahlgeometrie, Partikelgeschwindigkeit oder die Partikelverteilung. Inzwischen wurden die Brenner für große Flächen hochskaliert und lassen sich beispielsweise sehr gut für die Beschichtung von Bauteilen für Windkraft­anlagen einsetzen.

Eine weitere Technologie, deren Entwicklung verstärkt betrieben wird, ist das Plasma­spritzen. Ergänzend werden unter anderem die Belange des Arbeitsschutzes intensiv betrachtet, da beim thermischen Spritzen häufig mit sehr kleinen Partikeln (< 1 µm) gearbeitet wird.

E-Mobilität mit Batterie- und Wasserstofftechnik

Prof. Dr. von Unwerth von der TU Chemnitz schilderte im Abschlussvortrag die Zukunft des Automobils und verdeutlichte die Vor- und Nachteile des Batterie-, Brennstoffzellen- und konventionellen Betriebs.

Wie er eingangs betonte, wird im Gegensatz zu Fahrzeugen bei U-Booten mit Brennstoffzellen zur Notstromversorgung bereits seit langem gearbeitet. Vermehrt werden Brennstoffzellen auch bei Kreuzfahrtschiffen genutzt, um in kritischen Meeresbereichen auf den Dieselantrieb temporär zu verzichten. Für Fahrzeuge hingegen ist die Technologie nur sehr spärlich im Blickpunkt der Hersteller. Dabei werden auch in den nächsten Jahren die Zahlen an Fahrzeugen und der Ausstoß an Kohlenstoffdioxid weiter zunehmen, trotz der derzeit stark betriebenen Ansätze für einen besseren Umweltschutz. Dies wiederum macht es notwendig, sich mit der Verbesserung des Verbrennungsmotors der bestehenden Fahrzeuge zu befassen. Die Verbrennungsgase wie CO2, CO, NOx oder Partikel lassen sich jedoch nicht vermeiden, solange Kohlenwasserstoffe verbrannt werden. Das Ziel einer Null-Emission scheidet damit nach Überzeugung von Prof. von Unwehrt definitiv aus.

Für das Ziel E-Mobilität muss nach den Worten des Vortragenden auch die Energiewirtschaft betrachtet werden. Treiber sind hier die knapper werdenden Energieträger, die Umweltgesetzgebung, der härter werdende, globale Wettbewerb und vor allem die Gesellschaft. In der Gesetzgebung wird es deutlich bei den Antrieben durch die stetige Senkung der erforderlichen ausgestoßenen Mengen an Kohlenstoffdioxid pro gefahrenem Kilometer. Allerdings hat sich auch die Ermittlungsbasis zur Charakterisierung der Emissionen in den letzten zehn Jahren deutlich geändert. Dabei zeigt sich, dass die angestrebten Grenzwerte im Bereich von 95 g CO2/km in der Praxis nicht erreichbar sind.

Um eine wirkliche Reduzierung von Emissionen zu erreichen, bleibt nur der Einsatz von Elektromotoren. Jedoch darf dafür keine Elektrizität aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden. Nur regenerative Energiequellen machen Sinn.

Eine weitere Transformation von Elektrizität zu Bewegung ist die Zwischenspeicherung in Wasserstoff, der dann mittels Brennstoffzellen in Energie umgewandelt wird. Der Gesamtwirkungsgrad für den Weg über die Wasserstofftransformation ist etwa um den Faktor 3 schlechter, als für die Nutzung von Batterien mit regenerativem Strom. Als deutliche Vorteile bei der Verwendung von Wasserstoff sind sowohl die Gewinnung von Wasserstoff (mit regenerativen Technologien) als auch der Transport und die Versorgung zu nennen. Sehr gut schneidet die Brennstoffzelle beim Betrieb in der kalten Jahreszeit ab. Erhebliche Nachteile sind für die Batterietechnik zu nennen, wenn der Fahrkomfort, die Lebensdauer, die Sicherheit sowie die Kosten mit einbezogen werden. Aufgrund des Gesamtlebenszyklus ist der derzeitige Weg daher eher als kritisch zu betrachten. Vorteile lassen sich derzeit bei Flottenbetrieb (z. B. Post) erkennen, da sie über ausreichende Ladezeiten verfügen und den Vorteil von begrenzten, gut bekannten Betriebsbelastungen aufweisen.

Kritisch ist die Situation bei der derzeitigen Batterietechnik im Hinblick auf die erforderlichen Rohstoffe zu sehen. Die benötigten Rohstoffe für Batterien werden sowohl aufgrund der Verfügbarkeit als auch der Gewinnungssituation als kritisch angesehen (Lithium, Kobalt, Mangan). Auch lässt das Entwicklungspotenzial für die ­nächsten Jahre keine großen Schritte zur Verbesserung der Gesamtsituation erwarten.

Insgesamt liegt die Energiedichte bei Batteriesystemen immer deutlich unter der der bis heute primär genutzten Kohlenwasserstoffe. Wasserstoff als Energieträger zur Verwendung in Brennstoffzellen schneidet deutlich besser ab, als die Systeme auf Basis von Batteriespeichern. Im Vergleich ist zu berücksichtigen, dass beim Diesel 27 MW pro Tankvorgang erzielt werden, bei Wasserstoff sind dies 3 MW und bei Strom nur 0,12 MW.

Ein weiterer Nachteil der derzeitigen Batterietechnik ist die Alterung, die mit schnellerer Ladung stark steigt. Im Vergleich der Infra­struktur liegt die Batterieelektromobilität deutlich hinter der von flüssigem Wasserstoff. Derzeit befindet sich die gesamte erforderliche Infrastruktur für die Brennstoffzellentechnologie im Aufbau, einschließlich der notwendigen Fördermöglichkeiten.

Mit dieser sehr lehrreichen Betrachtung zu den ökologischen Aspekten der zukünftigen Antriebstechnik beendete Prof. Dr. von Unwerth seinen Vortrag und wies damit auch darauf hin, dass die angestrebten Entwicklungen der Fahrzeughersteller zu hinterfragen sind. Damit wird aber auch deutlich, dass die technischen Fachleute aus dem Hochschulbereich auch für die nächsten Jahrzehnte ein lohnenswertes Betätigungsfeld vorfinden werden.

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