Materialforschung Das Bauteil denkt mit

Leichter, kompakter, sparsamer: Mit funktionalen Materialien erschließen Ingenieure verbesserte Konstruktionsmöglichkeiten. Auch der Mittelstand erkennt zunehmend den großen Vorteil der besonderen Werkstoffe.
Neue Materialien gehören zum Tagesgeschäft des Fraunhofer-Instituts. Quelle:
Fraunhofer-Forscher Holger Kunze

Neue Materialien gehören zum Tagesgeschäft des Fraunhofer-Instituts.

KölnWenn Alexander Czechowicz seine Arbeit erklären soll, spielt er gerne den Zauberer. Er holt einen verbogenen Draht aus der Tasche, hält ein Feuerzeug daran - und der Draht formt sich zu einem Herzen. Naturwissenschaftler kennen den Trick: Bestimmte Metalllegierungen nehmen je nach Temperatur unterschiedliche Strukturen an - und „erinnern“ sich dabei an vorher definierte Formen.

Czechowicz wirbt dafür, dass sich die Industrie diesen Effekt stärker zunutze macht - mit Erfolg. „Das Interesse an Formgedächtnisverbindungen hat in den letzten Jahren rasant zugenommen“, sagt Czechowicz, der in der Remscheider Forschungsgemeinschaft Werkstoffe und Werkzeuge (FGW) den Bereich Formgedächtnistechnik leitet.

Auch der Mittelstand erkenne zunehmend den großen Vorteil der Drähte: Sie verrichten mechanische Arbeit, sind aber kompakter und leichter als etwa Stellmotoren oder Ventile. Gesteuert werden sie, indem elektrischer Strom angelegt wird, der das Metall erhitzt. Kühlt der Draht ab, nimmt er seine Ursprungsform an. Die Materialpreise seien stark gefallen, sagt Czechowicz: „In vielen Fällen lassen sich die Kosten für ein Bauteil senken.“

Formgedächtnislegierungen gehören zu einer Gruppe von Werkstoffen, die über besondere mechanische Eigenschaften verfügen und als „Smart Materials“ einen regelrechten Boom erfahren. Piezokeramiken zählen ebenso dazu wie Kunststoffe, die sich durch das Anlegen einer elektrischen Spannung verformen. Sehr gefragt sind auch Oberflächenbeschichtungen, die aerodynamische Eigenschaften eines Bauteils verändern können.

Die größten Trends in Hannover
Festo – Wo die Natur Antworten liefert
1 von 15

Jedes Jahr stellt Festo auf der Hannover Messe ein neues Bionik-Konzept vor. Auf dem Messestand des Industrieautomatisierers aus Esslingen werden Ameisen zu sehen sein – kybernetische natürlich. Die BionicANTs – „ANT“ (das englische Wort für Ameise) steht dabei sowohl für das natürliche Vorbild als auch für „Autonomous Networking Technologies“ – imitieren das Staatenverhalten der Ameisen. Erstmals wird damit das kooperative Verhalten von Tieren mittels komplexer Regelalgorithmen in die Welt der Technik übertragen.

TU Wien – Alu in Pulverform
2 von 15

Bei Stahl und Titan ist das Sintern als Produktionsverfahren bekannt und erprobt. Forscher der TU Wien wollen das Spritzgussverfahren jetzt auch auf Aluminium-Legierungen übertragen.

Wer heute ein kompliziertes Metallteil herstellen will, greift meist auf das Sintern genannte Metallpulver-Spritzgussverfahren zurück, bei dem Metallpulver mit Kunststoff versetzt, in Form gepresst und bei hohen Temperaturen zu einem soliden Metallwerkstück zusammengebacken wird. Bislang funktionierte diese Technik jedoch nicht mit Aluminium.

Das neue pulvermetallurgische Verfahren soll es erlauben, komplizierte Formen herzustellen, die auf andere Weise gar nicht oder nur mit großem Aufwand realisierbar wären. Da das pulverförmige Ausgangsmaterial relativ preiswert ist, können bei überschaubaren Kosten auch relativ große Bauteile produziert werden, sodass in der Massenproduktion im Vergleich zur konventionellen Fertigung Material- und Gewichtseinsparungen von mehr als 50 Prozent möglich sind.

Weippert – Das Gewicht herunterschrauben
3 von 15

In nahezu jeder Maschine stecken unzählige Schrauben in den unterschiedlichsten Größen – sie halten die Produktionsanlagen quasi zusammen. Hier Gewicht zu sparen, kann sich positiv auf die gesamte Maschine auswirken. Die Firma Weippert stellt auf der Hannover Messe neue WT-Kunststoffschrauben vor, die – bei Beachtung der technischen Anforderungen – im Vergleich zu Alu- und Edelstahlschrauben bis zu 70 Prozent leichter sein sollen.

Die Ingenieure von Weippert stellen einen ganz einfachen Vergleich an: Während ihre WT-Kunststoffschraube M6x40 aus PA6 GF30 lediglich 1,6 Gramm wiegt und aus PA6 GF50 gerade einmal 1,8 Gramm, bringt die gleiche Metallschraube aus A2 satte 9,3 Gramm auf die Waage. Dass Kunststoffschrauben nicht die gleiche Festigkeit wie Stahlschrauben aufweisen, sei dabei nicht immer ein Problem. Denn mit einer individuellen Konstruktionsanpassung unter Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften könnten meist auch Kunststoffschrauben statt Stahlschrauben verwendet werden, so Weippert.

Selbst wenn die Kunststoffschraube eine Nummer größer dimensioniert wird als die Stahlschraube, wenn also beispielsweise statt einer M4 eine M6 zum Einsatz kommt, ist die Gewichtseinsparung immer noch deutlich.

Sonotec – Vorbeugen statt heilen
4 von 15

Eines der großen Themen der Industrie 4.0 ist die Predictive Maintenance, also die vorbeugende Instandhaltung. Der Ultraschallspezialist Sonotec stellt mit dem Sonaphone auf der Hannover Messe ein neues Gerät vor, dass die Wartung einfacher machen soll.

Die möglichst genaue Vorhersage eines optimalen Wartungszeitpunktes gewinnt in der Wertschöpfungskette zunehmend an Bedeutung. Die mobilen Ultraschallmessgeräte, die zur Grundausstattung vieler Instandhalter gehören, tragen damit maßgeblich zu einer erhöhten Anlagensicherheit und -verfügbarkeit bei. Auf der Sonderausstellung Predictive Maintenance 4.0 will Sonotec zeigen, wie Unternehmen Energie einsparen und die Effizienz der gesamten Produktion mit Ultraschallmessgeräten verbessern können.

Bionic Robotics – Arm mit Charme
5 von 15

Bionic Robotics präsentiert auf der Hannover Messe einen Leichtbauroboter, dessen Bewegungsablauf und Größe sich an einem außerordentlich erfolgreichen Vorbild orientiert – dem menschlichen Arm. Die Bionic Robotics GmbH, 2010 als Spin-Off der TU Darmstadt gegründet, setzt als innovationsgetriebenes Unternehmen vor allem auf die Entwicklung und Produktion von extrem leichten Roboterarmen. Vergleichbar elastisch und mit seinen vier bis fünf Gelenken besonders flexibel im Aufbau, sorgen die in die Basis des BioRob verlegten Antriebe zudem für eine geringe bewegte Masse im Roboterarm. Damit ist der BioRob prädestiniert für den Einsatz in der industriellen Automation, wo er Transport-, Pick & Place-, Palettier- oder wechselnde Handhabungsaufgaben mit kleinen und mittleren Losgrößen übernehmen kann.

Laut dem Unternehmen ist BioRob der einzige kollaborative Roboter – er darf also ohne Schutzkäfig direkt mit Menschen zusammenarbeiten –, der ohne aufwändige Sensortechnologie und Steuerungstechnik auskommt. Selbst bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten würden die Kräfte im Falle eines ungewollten Kontaktes mit menschlichen Arbeitskollegen bauartbedingt so weit reduziert, dass keinerlei Verletzungsgefahr besteht – die besonders leichte und nachgiebige Struktur des BioRob macht es möglich.

Fluid Dynamix – Der unbewegte Beweger
6 von 15

Das Berliner Start-up FDX Fluid Dynamix feiert auf der Hannover Messe die Premiere seiner einzigartigen OcsiJet-Düse, mit der es dank eines fluidischen Oszillators erstmals möglich ist, einen bewegten Strahl ganz ohne bewegliche Teile zu erzeugen.

Um für eine gute Durchmischung von Gasen und Flüssigkeiten zu sorgen, kommen die dafür verwendeten Komponenten so gut wie nie ohne bewegliche Bauteile aus, woraus beinah schon zwangsläufig eine gewisse Reparaturanfälligkeit und ein erhöhter Wartungsbedarf resultieren. Die neue Düse von FDX erzeugt den schwingenden Fluidstrahl jedoch ohne bewegliche Teile. Mit einem schnell, effizient und genau anpassbaren Frequenzspektrum, welches von wenigen Schwingungen pro Sekunde bis fast in den Ultraschallbereich reicht, liefert die OsciJet-Düse für beinah jeden Prozess den notwendigen Frequenzbereich – ob Kraftstoff-Luft-Mischungen in Motoren oder der Wasserstrahl in Geschirrspülmaschinen.

MediGlove – Heilende Handschuhe
7 von 15

Auf dem Stand der Hochschule Anhalt zeigen die Designer Thomas Kores und Philipp Rösler aus Dessau erstmalig einen vollen interaktiven Prototyp eines medizinischen Diagnostik-Handschuhs, der die Funktionen von Stethoskop, Thermometer und Pulsmesser vereint.

Mit MediGlove sollen nicht nur die Untersuchungen intuitiver „von der Hand gehen“, sondern über natürliche Gesten auch hochauflösende Messwerte ermittelt und automatisch in eine digitale Krankenakte eingepflegt werden können, um sie so längerfristig und ganzheitlich nachvollziehbar zu machen. Der als Design-Projekt der Hochschule Anhalt konzipierte MediGlove ist bereits mit zwei Sonderpreisen ausgezeichnet worden.

Pionier bei der Verwendung funktionaler Werkstoffe ist die Luft- und Raumfahrt: Hier kommt es darauf an, viel Technik auf kleinem Raum unterzubringen. Auch die Automobilindustrie treibt das Thema voran. Schon länger verwendet sie Piezokeramiken in Einspritzsystemen von Motoren. Der Leichtbau-Trend beschleunigt die Entwicklung - so wird die Technik auch bei Tankklappen oder elektrisch steuerbaren Außenspiegeln erprobt. In Massagesitzen werden Formgedächtnisverbindungen genutzt.

„Viele intelligente Werkstoffe haben einen Reifegrad erreicht, der immer mehr Anwendungen zulässt“, sagt Holger Kunze, Hauptabteilungsleiter Mechatronik am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. „Neue Simulationsmethoden und Konstruktionswerkzeuge ebnen den Weg zum Masseneinsatz.“ In der Initiative Smart³ arbeitet das IWU zusammen mit über 80 Forschungseinrichtungen und Unternehmen an Smart Materials. „Hier treffen Ingenieure auf Designer und Soziologen - das eröffnet neue Perspektiven“, sagt Kunze.

Sprechende Bauteile sind gefragt
Seite 12Alles auf einer Seite anzeigen

Mehr zu: Materialforschung - Das Bauteil denkt mit

Serviceangebote
Zur Startseite
-0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%25%26%27%28%29%30%31%32%33%34%35%36%37%38%39%40%41%42%43%44%45%46%47%48%49%50%51%52%53%54%55%56%57%58%59%60%61%62%63%64%65%66%67%68%69%70%71%72%73%74%75%76%77%78%79%80%81%82%83%84%85%86%87%88%89%90%91%92%93%94%95%96%97%98%99%100%