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Neue Werkstoffe:
Wichtige Treiber für Innovationen
In der Anwendung neuer innovativer Werkstoffe liegt ein Schlüssel für die Wettbewerbsfähigkeit nicht nur einzelner Betriebe, sondern gesamter Volkswirtschaften in den Hochlohnländern Mitteleuropas. Eine der Möglichkeiten, sich diesbezüglich auf dem neuesten Stand zu bringen, ist alljährlich der Kongress „Material Innovativ“, ausgerichtet von der Bayern Innovativ. Die diesjährige Veranstaltung fand am 14.03.12 in Rosenheim statt.
Im Gegensatz zu vielen Veranstaltungen, denen eine klare Zielrichtung und der richtige Rahmen fehlen, sind die Veranstaltungen der Bayern Innovativ stets von großer Klarheit und Präzision. Die „Locations“ stimmen, die Referenten haben wirklich was zu sagen und auf den begleitenden Ausstellungen findet man viele konkrete Zusatzinformationen. Schon nach wenigen Stunden hat man das Gefühl „ich habe wirklich was dazu gelernt“ und vor allem „ich habe Material in der Tasche, mit dem ich weiter arbeiten kann! Das traf erneut auf die diesjährige Material Innovativ zu.
Vertreter aus Wissenschaft und Industrie nahmen sich u. a. folgender Fragestellungen an:
- Welchen Beitrag können innovative Verarbeitungstechnologien für eine nachhaltige Mobilität leisten?
- Welche Bedeutung haben Innovationen mit Neuen Materialien für die Bauwirtschaft?
- Wie sehen die zukünftigen Leichtbaukonzepte in der Automobilindustrie aus, und was bedeutet dies für die Werkstofftechnik?
- Welche Lösungen für aktuelle Marktherausforderungen bieten technische Kunststoffe?
- Wo liegen die Trends bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen?
Dazu kamen rund 40 Aussteller, welche die Themen mit konkreten Angeboten vertieft haben.
Gerade im Bereich der Kunststoffverarbeitung, speziell der faserverstärkten Kunststoffe, zeigte sich, dass der Werkstoff selbst, die Konstruktion der Teile und das Teileherstellungsverfahren nicht mehr getrennt betrachtet werden können. Wer optimale Teile will, muss diese 3 Wissensbereiche in seinem Betrieb an einen Tisch bringen. Ebenso ließen die Referenten in Rosenheim keinen Zweifel daran, dass nicht mehr das singuläre Verarbeitungsverfahren, sondern die Kombination solcher bei innovativen Teilen zum Ziel führen, beispielsweise die Kombination von Spritzguss und Thermoforming.
 Die Neuinstallation von Windkraftanlagen wird in den nächsten Jahren stark zunehmen und
somit auch der Verbrauch von faserverstärkten Kunststoffen, wie Prof. Dr. Michael Schemme mit dieser Folie darlegt.
Kunststoff-Werkstoffpotential noch nicht ausgereift.
Die Anwendung von Kunststoffen wird sich noch deutlich ausweiten. Zum einen durch den Einsatz von immer mehr faserverstärkten Kunststoffen, aber auch durch die gezielte Funktionserweiterung von Materialien, z. B. hinsichtlich elektrischer, magnetischer und thermischer Eigenschaften.
Insgesamt wurden 2011 rund 1 Mio. Tonnen faserverstärkter Kunststoffe verarbeitet. Dabei sieht die Marktverteilung in Europa so aus, dass jeweils 35% auf den Fahrzeugbau und das Bauwesen entfielen, jeweils 14% für Sport und Freizeit sowie die Elektroindustrie, weitere 3% in den allgemeinen Konsumbereich Eingang fanden.
Wesentliche Innovationstreiber sind, neben allgemeinen Kosteneinsparungen, vor allem die Notwendigkeiten der Gewichtseinsparung. So soll bekanntlich der CO2-Ausstoß bei Autos in den nächsten 30 Jahren um das 5- 10fache sinken. Das geht nur über deutliche Gewichtsreduzierungen. Hierzu gab Dr. Karlheinz Bourdon, Mitglied der Geschäftsleitung der Krauss-Maffei-Technologies GmbH, an, dass mit Hilfe von CFK-Bauteilen gegenüber Stahl eine Gewichtsminderung von rund 50% zu erreichen seien.
Ein konkretes Einzelbeispiel dazu brachte Prof. Dr. Michael Schemme von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Hochschule Rosenheim. Dabei wurde eine Blattfeder aus Stahl durch eine Blattfeder aus GFK ersetzt. Das Gewicht konnte von 18 kg auf 6 kg reduziert werden, bei besseren Materialeigenschaften, wie verbesserte Dynamik, längere Lebensdauer oder Korrosionsbeständigkeit.
Um für viele Aufgaben das richtige Material zu finden, gibt es heute bereits faserverstärkte Kunststoffe mit
- Kurzfasern
- Langfasern
- Mattenstruktur
- Gewebestruktur
- Wabenstruktur
Gerade vorgefertigte Matten - auch als „Organoblech“ bezeichnet, scheinen viel versprechend für die Zukunft zu sein. Sie können u. a. gepresst, thermogeformt, hinterspritzt werden usw.
Ihr Verhalten, bzw. das der späteren Bauteile, kann mit CAE-Software gut simuliert werden, und somit ist eine Optimierung der Bauteile sozusagen auf den Punkt möglich.
Zunehmend gibt es auch Verarbeitungssysteme, die eine hybride Verarbeitung zulassen, und somit kann auch an Großserien gedacht werden.
 Für optimale Teile aus faserverstärkten Kunststoffen ist es notwendig, den Werkstoff selbst,
die Gestaltung der Teile und die Herstellungsverfahren gemeinsam zu betrachten.
Um die Spitze des Machbaren zu skizzieren, stellte Prof. Dr. Hans-Wilhelm Engels, Senior Vice President Innovation der Bayer Materialscience AG, ein Projekt vor, bei dem ein rein solarbetriebenes Leichtflugzeug eine bemannte Weltumrundung schaffen soll. Geringstes Gewicht und Stabilität der Bauteile müssen dabei in Einklang gebracht werden. Einige Eckdaten dazu
- 1600 kg Gesamtgewicht
- 63 m Flügelspannweite
- 400 kg Batterien
- 12000 Solarzellen
Klar, dass dafür ein extremer Leichtbau nötig ist, der Innovationen bei den Materialien nötig macht. Der Flug ist übrigens für 2014 geplant.
 Der metallische Werkstoff „Dispal“ weist eine hohe Steifigkeit auf, mit einem E-Modul bis 115 Gpa.
Nicht nur Kunststoffe
Die Firma Peak Werkstoffe stellte in Rosenheim einen metallischen Werkstoff aus, der sich in der Praxis schon bewährt hat, für viele Konstrukteure aber noch neue Möglichkeiten in sich birgt: „Dispal“. Dieser Werkstoff bietet Eigenschaften auf Stahlniveau, jedoch bei nur einem Drittel des Gewichts! Möglich wird das durch Sprühkompaktieren. Bei diesem pulvermetallurgischen Prozess wird eine hoch legierte Schmelze extrem rasch erstarrt. Das so erstellte Material besitzt ein besonders feinkörniges, homogenes Gefüge und ist frei von Einschlüssen und Oxiden. Das hier verwendete Legierungssystem bringt eine große Bandbreite an Eigenschaften zustande, die durch eine Schmelzlegierung nicht möglich wären. Die wichtigsten Eigenschaften in Kürze:
- Niedrige thermische Ausdehnung einstellbar (durch Zulegieren von bis zu 40% Silizium)
- hohe spezifische Steifigkeit (E-Modul bis 115 Gpa)
- ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit
- gute thermische Leitfähigkeit
- sehr gute Umformbarkeit und Zerspanbarkeit
- hohe Dauerfestigkeit (bis zu 50% höher als bei konventionellem AL)
- hohe Warmfestigkeit bei Einsätzen bis zu 450°C
 Dispal garantiert auch eine gute thermische Leitfähigkeit, die deutlich über der von Grauguss und Mg-Legierungen liegt
(Beide Bilder sind Ausrisse aus einem Werksprospekt der Peak Werkstoff GmbH).
Somit eignet sich Dispal besonders für mechanisch wie thermisch stark beanspruchte Komponenten.
www.dispal.de
www.bayern-innovativ.de
- Karl Obermann -
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