Additive Fertigung Amorphe Metalle führen die Robotik in die Zukunft

Ein Gastbeitrag von Nail Akrouti

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Wenn es in puncto Roboteranwendungen extrem wird, wie etwa im Weltraum, hilft eine besondere Materialklasse – amorphe Legierungen respektive Metalle. Wie das geht, weiß Heraeus Amloy Technologies.

Liest man sich die Liste der Anforderungen durch, die an die Roboter der Zukunft gestellt werden, stellen nicht nur Experten schnell fest, dass diese mit herkömmlichen Werkstoffen und Fertigungsmethoden nur schwer zu erfüllen sind. Setzt man aber auf amorphe Metalle, kann es klappen.
Liest man sich die Liste der Anforderungen durch, die an die Roboter der Zukunft gestellt werden, stellen nicht nur Experten schnell fest, dass diese mit herkömmlichen Werkstoffen und Fertigungsmethoden nur schwer zu erfüllen sind. Setzt man aber auf amorphe Metalle, kann es klappen.
(Bild: Monstar Studio - stock.adobe.com)

Für die Robotik der Zukunft sind die Entwicklungsziele anspruchsvoll und weit gesteckt. „Bisher sind Roboter für den Weltraum missionsspezifisch aufgebaut. Die Forschung entwickelt nun modulare Komponenten für anwendungsspezifisch konfigurierbare Weltraumroboter“, berichtet Professor Frank Kirchner von der DFKI GmbH, Robotics Innovation Center Weltraum. Dabei müssen die Robots möglichst leicht sein, extreme Temperaturschwankungen bis 200 °C überstehen können und eine harte Partikelstrahlung aushalten.

Im Gegensatz zu den Belastungen im All sind Temperaturschwankungen im Meer wieder weniger ein Problem. „In dieser Umgebung erfordert der hohe Druck eine druckneutrale Konstruktion. Man braucht aber auch Druckkörper, um kritische Komponenten einzukapseln. Dazu kommt die starke Korrosion“, fasst Kirchner zusammen. Weil im Meer zum Beispiel auch noch sehr viel Munitionsaltlasten zu bergen sind, benötigt man dafür Roboter mit sehr viel Fingerspitzengefühl. „Dieses Fingerspitzengefühl brauchen aber nicht nur die Roboter sondern auch die auch Pick-and-Place-Einheiten für miniaturisierte Komponenten und sogar Agrarroboter zur Ernte von Obst und Gemüse. Und auch Roboter im All benötigen sie, um Satelliten zu greifen und zu reparieren“, ergänzt der Experte.

Und auf der Erdoberfläche bringen mobile Roboter in der Smart-Factory Komponenten zuverlässig und just in time zu den Montagestationen, damit die Produktion möglichst flexibel wird. Cobots (collaborative robots) arbeiten bekanntlich gefahrlos mit dem Menschen Hand in Hand zusammen. Aber um die zukünftigen Anforderungen an Cobots bedienen zu können, braucht man neue Konstruktionsdesigns, in denen neue Materialien eine große Rolle spielen, was der Einsatz des Mars-Rovers Curiosity zeigt. Der muss etwa jedes Mal zwei bis drei Stunden aufgewärmt werden, bis seine Schmierung funktioniert, weil es seine Getriebebauteile aus Stahl so erfordern. Es gibt aber eine Materialklasse, die in den unterschiedlichsten Umweltbedingungen nahezu alle Wünsche erfüllt: Amorphe Metalle.

Amorphe Metalle machen Roboter leistungsfähiger

Den längsten Einsatz haben Roboter in der Industrie. In diesem Sektor können sie etwa als End-of-Arm-Toolings (EOAT) wechselweise Greifer und Werkzeuge aufnehmen, um so vielfältige Aufgaben zu erledigen. Für die Zukunft wünscht sich die Industrie aber noch flexibler konfigurierbare Roboter, die auch noch optimierte Antriebe und Getriebe haben, sowie die oben erwähnten EOATs, Kupplungselemente und nicht zuletzt eine zuverlässige Sensorik. Ein Kostentreiber bei Robotern befindet sich dabei allerdings unsichtbar im Inneren der Getriebe. Gemeint sind Komponenten, die konventionell nur sehr teuer herstellbar sind. Abhilfe schaffen auch hier amorphe Metalle, verarbeitet mit Herstellungsverfahren, die das Bauteil von Haus endkonturnah fertigen können.

Amorphe Metalle entstehen aus der entsprechenden Schmelze, die man durch rasches Abkühlen am Kristallisieren hindert. Anders als normale metallische Legierungen, erlaubt die dabei entstehende amorphe Struktur das Umformen im Prozess der unterkühlten Schmelze. Hier verhält sich das Material unter hohen Temperaturen wie ein Polymer beim Spritzgießen, was es ermöglicht, Bauteile in hoher Qualität, präzise und fast nachbearbeitungsfrei zu produzieren.

Weil es im Material keine Strukturfehler durch Kristalle gibt, besitzen amorphe Legierungen eine extrem hohe Streckgrenze. Sie verbinden so die elastischen Eigenschaften von Kunststoffen mit der hohen Festigkeit von Metallen. Die hohe Festigkeit in Kombination mit einer vergleichsweise geringen Dichte prädestiniert amorphe Legierungen für den Leichtbau. Außerdem werden sie im Gegensatz zu anderen Metallen auch bei extrem tiefen Temperaturen nicht spröde, sondern sind auch dann noch duktil. Weil sie sich so schnell nicht plastisch verformen, haben sie eine sehr hohe Eigendämpfung und eignen sich deshalb auch als Federwerkstoff. Es fehlt ihnen außerdem an chemischen Angriffszonen, weshalb sie resistent gegen Korrosion sind. Auch bergen amorphe Legierungen bei Anwendungen wo Partikelstrahlung einwirkt und eine Neutronendurchlässigkeit verlangt wird, großes Einsatzpotenzial. Es gibt allerdings auch Grenzen. Denn bei keinem Einsatz darf die Glasübergangstemperatur von 400 °C überschritten werden, sonst geht die amorphe Struktur verloren.

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