Innovative Ingenieur-Werkstoffe

Prof. Dr.-Ing. Norbert Jost

Innovative Ingenieur-Werkstoffe

1. Einleitung

Immer häufiger liefern optimierte oder neuentwickelte Werkstoffe den Schlüssel zum Fortschritt der Technik. Darüber hinaus bestimmen sie ganz wesentlich die Qualität und das Kosten-/Nutzenverhältnis technischer Produkte. In Einzelfällen hat dies bereits bis zu der Etablierung ganz neuer Technologien geführt.

Welchen Stellenwert die Entwicklung neuer Werkstoffe hat, zeigen Beispiele wie Hochtemperaturwerkstoffe aus Siliziumnitrid, die den Wirkungsgrad von Ener­gieanlagen entscheidend verbessern könnten. Oder auch die Superleichtmetalle auf Aluminium- oder Magnesium-Basis mit Lithium als dem leichtesten metalli­schen Legierungselement überhaupt, die teilweise bereits kurz vor einem groß­technischen Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie stehen. Weitere innovati­ve Beispiele sind die Formgedächtnislegierungen, die gleichzeitig als Sensor und Stellglied eingesetzt werden und rein temperaturgesteuert Bewegungen aus­führen und/oder Kräfte übertragen können. Biologisch abbaubare Polymere könnten auf ökologischste Weise mithelfen, unsere Müllprobleme zu reduzieren und mit supraleitenden Werkstoffen könnte vielleicht einmal der elektrische Strom verlustfrei und wirtschaftlich über weite Strecken transportiert werden.

Diese wenigen Beispiele geben dabei nur einen kleinen Ausschnitt aus dem gro­ßen Potential der Chancen mit neuen innovativen Werkstoffen wieder. Aber sie machen auch deutlich, daß gerade heute eine große ökologische und soziale Ver­antwortung mit der Werkstofforschung verbunden ist.

Mehrere „werkstoffbeeinflußte“ Strukturkrisen in Deutschland (Ruhrgebiet, Saarland) haben gezeigt, daß ein erfolgreicher Strukturwandel auch und insbe­sondere durch die Entwicklung und Produktion neuer, raffinierter Werkstoffe und die dazugehörigen Fertigungstechnologien außerordentlich positiv unterstützt wer­den kann /1/. Nicht umsonst gehören „Neue Werkstoffe“ zu den wichtigsten Schlüsseltechnologien der nächsten Jahrzehnte (Bild 1), denn gerade sie öff­nen die Tore zu den Technologien der Zukunft. Gemäß verschiedener Studien des BMBF (Bundesministerium für Bildung und Wissenschaft, Forschung und Techno­logie) und der Fraunhofer Gesellschaft, wird der Anwendung neuer leistungsfähi­ger Materialien, insbesondere in den Feldern Informationstechnik, Fertigungstech­nik und Medizintechnik herausragende Bedeutung eingeräumt. Dabei wird die Entwicklung ganz neuer Materialien als gleichrangig mit der Ausschöpfung der noch vorhandenen, erheblichen Potentiale bekannter Werkstoffe eingestuft /2-4/.

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Bild 1 : Zukunftstechnologien im Bereich Maschinenbau

Weitere Aspekte, die in heutiger Zeit immer mehr in den Blickpunkt rücken, sind die mit der Herstellung und Verarbeitung von Werkstoffen verbundenen umwelt­relevanten Potentiale. So werden beispielsweise mit dem Einsatz extrem belast­barer und langlebiger Werkstoffe in der Kraftwerkstechnik oder im Motoren- und

Turbinenbau durch höhere Wirkungsgrade Rohstoffe als Energieträger geschont und der spezifische Energieverbrauch ebenso wie die Schadstoffemissionen er­heblich reduziert. Zusammen mit der Ausnutzung von Leichtbaupotentialen und einem optimierten Design führt dies zu einer höheren Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit. Damit werden die recyclinggerechte Werkstoffentwicklung und -auswahl zu wichtigen Elementen integrierter Umweltschutztechniken /5, 6/.

Im folgenden soll nun versucht werden, einen kurzen und möglichst allgemeinver­ständlichen Einblick in Beispiele für innovative Werkstoffentwicklungen zu geben. Dabei soll nach einer kurzen Abgrenzung des Gebietes ganz bewußt nicht nur auf „Highlights“ der Werkstofforschung wie beispielsweise Supraleiter und Werkstoffe mit Formgedächtnis eingegangen, sondern die Betrachtung u.a. auf die sogenann­ten Massenwerkstoffe wie z.B. die Stähle, gelenkt werden. Gerade in diesen Be­reichen hat die Werkstoffentwicklung der letzten Jahre - leider manchmal etwas weniger beachtet - zu ganz bemerkenswerten Ergebnissen geführt. Es soll auch nicht unbedingt immer der aktuellste Stand der Forschung vorgestellt werden. Im Sinne eines umfassenden Verständnisses erscheint es oft wichtiger, auch ein we­nig auf die historische Entwicklung einzugehen.

Gleichwohl kann und soll mit der vorliegenden Arbeit nicht der Anspruch der Voll­ständigkeit erfüllt werden. Vielmehr sollen mit den hier beschriebenen Werkstoff­entwicklungen mögliche Trends für die Technik aufgezeigt und vielleicht auch hier und da entsprechende Anregungen für neue Einsatzgebiete gegeben werden.

2. Die Werkstofftechnik als Teilgebiet des Maschinenbaus

Die Werkstoffkunde und insbesondere das Teilgebiet der Werkstofftechnik be­schäftigen sich mit festen Stoffen, die für die unterschiedlichsten Konstruktionen geeignet sein sollen. Dabei sind diese Werkstoffe den Menschen für die vielfältigs­ten Gebiete nützlich; so beispielsweise für den Bau von Maschinen, Geräten und Gebäuden, zur Realisierung von Kunstobjekten bis hin zum Ersatz von Körpertei­len als Implantate.

Im Vordergrund steht dabei als erste Forderung für den Werkstoff immer die technisch bestmögliche Ausnutzung seiner Eigenschaften. Daneben muß der Werkstoff aber auch fertigungstechnisch bearbeitbar sein, d.h. er muß sich durch Gießen, plastisches Umformen, Sintern oder Zerspanen in die gewünschte Form von Halbzeugen oder Bauteilen bringen lassen. Dazu gehört auch die Eig­nung für bestimmte Fügeverfahren wie Schweißen, Löten oder Kleben, mit denen mehrere Teile wiederum zu größeren und in der Regel komplexeren Konstruktio­nen verbunden werden. Eine weitere Forderung, die gerade in jüngster Zeit immer mehr zum Tragen kommt, ist die Wirtschaftlichkeit des Werkstoffes. Ein Werk­stoff kann bezüglich seines Eigenschaftsprofils und seiner Verarbeitbarkeit zwar überaus positiv erscheinen, doch wird sein industrieller Einsatz durch einen zu ho­hen Preis enorm eingeschränkt. Der zu hohe Preis kann sich dabei sowohl auf die Herstellung des Werkstoffes als auch auf eine zu aufwendige und damit teure Verarbeitung beziehen.

Diese Zusammenhänge werden auch mit den Bildern 2 und 3 verdeutlicht und ver­tieft. In Bild 2 sind zunächst einige Wechselwirkungen zwischen der Werkstoff­technik und den wichtigen Teilgebieten des Maschinenbaus - „Konstruktion“ und „Fertigung“ - dargestellt. Der Werkstoff wird charakterisiert durch seine techni­schen Grundeigenschaften und seine fertigungsbedingten Eigenschaften. Von der Konstruktionsseite müssen zusätzlich spezifische Gebrauchseigenschaften und natürlich die Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden. In der Konstruktion selbst wird dann im wesentlichen die Funktion und die Beanspruchung festgelegt. Dabei finden dann zusätzlich noch Informationen bzw. Daten aus der Fertigung, wie z.B. die Herstellbarkeit und die Fertigungskosten Beachtung. Für die Fertigung sind na­türlich die Fertigungseigenschaften des Werkstoffes von besonderem Interesse. Hierbei ist jedoch eine Rückkoppelung notwendig, da sich bei vielen Werkstoffen fertigungsbedingt deren Eigenschaften ändern können, teilweise sogar sollen.

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Bild2: Wechselwirkungen zwischen Disziplinen des Maschinenbaus

Bild 3 zeigt in einem mehr globaleren Zusammenhang die Einordnung der Werk­stoffe in der Industriewelt. Neben den Grundbedürfnissen der Menschheit wie Nahrung, Energie und Rohstoffe, nehmen die Werkstoffe einen sicher ebenso wichtigen Status ein. Denn nicht zuletzt besteht jede Anlage oder Konstruktion, je­de Maschine, jedes Gerät und deren gesamte Einzelteile aus Werkstoffen. Produ­ziert aus Rohstoffen und Energie sorgen Werkstoffe ihrerseits wiederum dafür, daß Energie und Nahrung überhaupt erst gewonnen bzw. produziert werden kön­nen.

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Bild 3: Werkstoffe aus „globaler“ Sicht

Bild 3 zeigt dabei auch schon die grundsätzliche Unterscheidung in die vier Werk­stoffgruppen: Metalle, Keramiken, Polymere und Verbundwerkstoffe. Nach dem

Gebrauch der aus den unterschiedlichen Werkstoffen gefertigten Konstruktionen und Teile können schon heute viele Werkstoffe recycelt und in den Kreislauf als „neue“ Rohstoffe wieder eingeführt werden. Daneben gibt es aber immer einen mehr oder weniger großen Verlust durch eine feine Verteilung des Werkstoffes, der ein wirtschaftliches Recycling in vielen Fällen mit dem heutigen Stand der Technik nur schlecht möglich erscheinen läßt.

Neben Werkstoffen aus den bereits erwähnten vier Werkstoffgruppen werden zu­nehmend neue Werkstoffe entwickelt, die sich nicht immer eindeutig der einen o­der anderen Gruppe zuordnen lassen. Bild 4 zeigt hierzu einige Beispiele.

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Bild 4: Die vier Werkstoffgruppen und Werkstoffbeispiele, die nicht eindeutig zugeordnet werden können.

Sowohl die Halbleiterwerkstoffe als auch supraleitende Werkstoffe besitzen einer­seits in einem speziellen Temperaturbereich die „Leitfähigkeit“ als typische Eigen­schaft der Metalle und andererseits das „Isolationsvermögen“ sowie wesentliche „mechanische Eigenschaften“ der keramischen Werkstoffe. Weitere Beispiele für solche differenzierten Eigenschaftsprofile von Werkstoffen stellen die leitfähigen Polymere oder die Silikone dar.

Ein moderner Ansatz zur Einteilung der Werkstoffe unterscheidet nach „Struktur­werkstoffen“ und „Funktionswerkstoffen“, (Bild 5).

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Bild 5: Die moderne Einteilung der Werkstoffe

Dabei stehen bei den Strukturwerkstoffen vor allem die mechanischen Eigenschaf­ten, wie z.B. Festigkeit, Leichtigkeit und Steifigkeit im Vordergrund, während für Funktionswerkstoffe ganz spezifische physikalische Eigenschaften gefordert wer­den. Dies können beispielsweise eine besondere Wärmeleitung, ein spezielles magnetisches Verhalten zur Infomationsspeicherung bis hin zu piezoelektrischen- sowie Formgedächtnis-Eigenschaften für die moderne Sensortechnik sein. Be­sonders in diesen Bereichen werden also „maßgeschneiderte“ Werkstoffe gefor­dert. Ein wesentliches Kennzeichen ist dabei die außerordentliche Endproduktnä- he der Fertigung, d.h. die Werkstoffkomponenten werden häufig unmittelbar in Bauteile überführt. Damit verlieren Vielzweck-Massenwerkstoffe immer mehr an Bedeutung, da jede Nutzungsform praktisch ihren eigenen Werkstoff definiert und kreiert. Darüber hinaus wird auf diese Weise bereits beim Produktdesign ein im­mer besseres Verständnis und Wissen über die Mikrogefüge der Werkstoffe und die Voraussetzungen zu deren Beeinflussung gefordert. Letztlich entsteht durch einen solchen umfassenden und ganzheitlichen Zugang die Forderung, aber auch die Gewährleistung, den Werkstoff vom Rohstoff bis hin zum Recycling betrachten zu müssen und damit tatsächlich allen Anforderungen gerecht zu werden /7, 8/.

Die Fähigkeit zum Maßschneidern von Werkstoffen ist wiederum eine unmittelbare Voraussetzung für die nächste Entwicklungsstufe mit dem höchsten Innovations­potential und Zukunftsbezug im Werkstoffbereich. Diese Stufe wird kurz mit „Smart Materials“ umschrieben. Bei dieser Art von Materialien stellen sich die ge­forderten Eigenschaften förmlich „automatisch“ während des Gebrauchs ein. Sol­che Werkstoffe benötigen eine gewisse, implizit vorhandene oder von außen ein­gebrachte Adaptionsfähigkeit. Zumindest prinzipiell haben sie sogar Ähnlichkeiten zu biologischen Systemen und werden daher auch häufig als die höchste und da­mit endgültige Form der Realisierung von Werkstoffen angesehen /9, 10/.

Insgesamt gesehen und auf einen einfachen Nenner gebracht wird also immer derjenige Werkstoff gegen konkurrierende gewinnen, der am besten einem vorge­gebenen Anforderungsprofil anzupassen ist.

Ein ganz neues Gebiet des Maschinenbaus, welches in ganz besonderer Weise die neuen Entwicklungskonzepte integriert, ist die Mikrosystem- oder auch Mikro­strukturtechnik mit ihren wiederum vielfältigen Teilgebieten /11/. Sie umfaßt Kon­zeption, Entwicklung und Fertigung miniaturisierter Bauteile oder sogar „intelligen­ter“ Sensoren und Aktoren, die wiederum die Basis zur Herstellung ganzer „Mik­romaschinen“ darstellen.

In den folgenden Kapiteln sollen aus der Vielzahl der oben beschriebenen Werk­stoffkonzepte und den daraus hervorgegangenen Werkstoffen nun beispielhaft ei­nige wesentliche Entwicklungstendenzen für verschiedene Werkstoffe und deren Anwendungen herausgegriffen und dargestellt werden. Aus der Blickrichtung des modernen Maschinenbaus werden dabei die Schwerpunkte auf „Stähle“ und „Leichtbauwerkstoffe“ als typische Vertreter der Strukturwerkstoffe, sowie einige Werkstoffe aus dem Bereich der Funktionswerkstoffe mit „besonderen physikali­schen Eigenschaften“ gelegt.

3. Innovationsbeispiele aus dem Bereich der Strukturwerkstoffe

3.1 Eisen-Basis-Werkstoffe (Stähle)

Unter allen technischen Werkstoffen werden Metalle auch weiterhin eine heraus­ragende Rolle spielen. Dies gilt mit kleinen Einschränkungen ganz besonders für die Stähle, die als typische Vetreter der Strukturwerkstoffe noch erhebliches Ent­wicklungspotential besitzen /12-14/. Kein anderer technischer Werkstoff wird welt­weit in solchen Mengen (ca. 700 Millionen Tonnen Rohstahl/Jahr) produziert wie Stahl, und kaum ein anderer verfügt über so vielfältige nützliche Eigenschaften. Die große technische Bedeutung beruht vor allem auf der guten Formbarkeit und der Eignung zur gezielten Einstellung von Eigenschaftskombinationen durch Le­gieren und/oder thermische bzw. mechanische Behandlungen. Insbesondere in dem großen und komplexen Bereich der mechanischen und thermo­mechanischen Beanspruchung sind Stähle nach wie vor die erste Wahl und bieten die höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit. Hinzu kommt, daß eine extrem lang­jährige Erfahrung mit dem Umgang von Stählen existiert, d.h. Herstellungs-, Ferti- gungs-, Verarbeitungs-aber auch Reparaturverfahren sind weitestgehend etabliert. Nicht zuletzt ist einerseits die relativ preiswerte Verfügbarkeit von Eisen und sei­nen Legierungskomponenten, andererseits aber auch die Recycling-Fähigkeit von Stählen außerordentlich hoch und damit positiv zu bewerten.

Stähle ermöglichen also ein reichhaltiges Spektrum von einstellbaren Eigenschaf­ten bzw. Eigenschaftskombinationen. Dabei führen geringfügige Änderungen der chemischen Zusammensetzung (Bild 6), aber auch der Produktions- und Weiter- Verarbeitungsbedingungen bereits zu unterschiedlichen Festigkeits- und Zähig­keitskennwerten. Dies wird in raffiniert zusammengestellten Legierungen - oft in Kombination mit immer wieder neuartigen Behandlungsmethoden - bis ins letzte Detail ausgenutzt.

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Bild 6: Legierungselemente verändern die Eigenschaften von Stahl auf unterschiedliche Weise; hier: vereinfachte Zuordnung von Le­gierungselementen und deren Wirkung.

Die wichtigste werkstoffkundliche Grundlage dafür ist ein ganz besonderes Verhal­ten der meisten Stähle. Danach sind in Abhängigkeit der Temperatur zwei unter­schiedliche Atomgitterstrukturen mit jeweils ganz spezifischen Einflüssen auf die Werkstoffeigenschaften thermodynamisch stabil. Hierdurch werden wiederum erst spezielle „innere Vorgänge“ wie z.B. die Lösung von anderen Legierungselemen­ten, deren Diffusionsfähigkeit und letztendlich auch die Härtbarkeit ermöglicht. Die Bilder 7a und b zeigen als Beispiel dazu das mikroskopisch sichtbare Gefüge vor und nach einer solchen Gitterumwandlung (martensitische Umwandlung), wie sie in ähnlicher Weise auch beim Härten von Stahl zu beobachten ist /15/.

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Bild 7a: Gefüge einer Eisen-Nickel-Legierung vor der Gitterumwandlung (Austenit), Lichtmikroskopie

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Bild 7b: Gefüge einer Eisen-Nickel-Legierung nach der Gitterumwandlung (Martensit), Lichtmikroskopie

Wegen der überaus großen Zahl von unterschiedlichen Stählen kann hier kein vollständiger Überblick gegeben werden. Sehr interessant für eine vertiefende Be­trachtung erscheinen aber Beispiele aus dem Bereich der Baustähle, insbesonde­re der höher- und höchstfesten Baustähle.

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