Hoch belastete Bauteile aus MMC leben länger

Hohe Verschleißbeständigkeit und Formstabilität, niedrige Dichte und gutes thermisches Verhalten machen Metal Matrix Composites (MMC) zu einem Verbundwerkstoff für hochbelastete Bauteile, trotz der...

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Hohe Verschleißbeständigkeit und Formstabilität, niedrige Dichte und gutes thermisches Verhalten machen Metal Matrix Composites (MMC) zu einem Verbundwerkstoff für hochbelastete Bauteile, trotz der hohen Fertigungskosten, die jedoch durch endkonturnahe Formgebung reduziert werden können. Daher werden sich MMC-Werkstoffe bei hochwertigen Teilen etablieren, um deren Lebensdauer zu verlängern.Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, so genannte MMC (Metal Matrix Composites) bestehen aus mindestens zwei unterschiedlichen Phasen: einer metallischen Matrix und einer oder mehreren makroskopischen Verstärkungsphasen, die über einen zusätzlichen Verfahrensschritt miteinander verbunden werden. Aus der Vereinigung der intrinsischen Eigenschaften der jeweiligen Ausgangswerkstoffe ergeben sich höherwertige Eigenschaften von MMC, zum Beispiel hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit, geringer Ausdehnungskoeffizient, hoher Elastizitätsmodul, hohe Festigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und geringe Werkstoffdichte. MMC-Werkstoffe können über geschickte Kombination der Ausgangswerkstoffe (Legierung und Verstärkung) hinsichtlich der Eigenschaften maßgeschneidert werden. Erste MMC-Anwendungen ergaben sich vor etwa 25 Jahren im Rahmen des Space-Shuttle-Projekts. In Form von Rumpfverstrebungen hat sich MMC übrigens bis heute bewährt. Heutzutage findet man Bauteile aus MMC-Werkstoffen in der Verkehrstechnik (MMC-Bremsscheiben und -trommeln in Straßenbahnen, zum Beispiel in Kopenhagen), in Hochgeschwindigkeitszügen (ICE) und vor allem in Automobilen (zum Beispiel VW-Lupo, Bild 1). So werden Antriebswellen aus MMC hergestellt, aber auch Zylinderlaufbuchsen für Sportwagen (Porsche, Toyota, Honda). In Flugzeugen gibt es Triebwerke mit MMC-Leitschaufeln (Boeing 777). Aber auch im Freizeitbereich finden sich Anwendungen für MMC: bei Spikes für Leichtathletik-Laufschuhen, bei Rohren für Fahrradrahmen und bei Golfschlägerköpfen. Neue Anwendungen wurden im Bereich des Thermal-Managements erschlossen, wo diese Werkstoffe aufgrund der hohen Formstabilität als Chipträger (heat sinks) in Armaturenträger, jedoch auch in optischen Kommunikationssystemen mit Erfolg eingesetzt werden (minimaler Wärmeverzug).Hohe Formstabilität trotz minimaler TrägheitEine US-Studie prognostiziert bis 2004 weltweit zweistellige Wachstumsraten im Jahr in der Verkehrstechnik sowie im Thermal-Management-Sektor. Aber auch bei industriellen Anwendungen, zum Beispiel im Maschinenbau, werden Wachstumsraten von 7 bis 8% im Jahr erwartet. Dort besteht ein großes Anwendungspotenzial bei Hochpräzisionswerkzeugmaschinen, bei hochpräzisen Positionierungssystemen, in der Robotik und Webtechnik - also überall dort, wo hohe Anforderungen an minimale Trägheit, höchste Formstabilität und Steifigkeit gestellt werden. Auch in der Wehrtechnik und Raumfahrt wird sich der Einsatz von MMC allerdings mit etwas niedrigeren Wachstumsraten (3,3%) fortsetzen. Das Marktvolumen wird weltweit auf 4,9 Mio. kg im Jahr 2004 steigen, was einem Umsatz von schätzungsweise 173 Mio. US-Dollar entspricht (1999: 2,5 Mio. kg im Wert von 103 Mio. US-Dollar). Trotz dieser Entwicklung werden MMC-Verbundwerkstoffe eine Rarität unter den Struktur- und Funktionsmetallen bleiben. Abgesehen von ,,populären" Anwendungen in Fahrzeugen und im Schienenverkehr werden sie sich jedoch - wie übrigens viele andere Werkstoffklassen - in Nischenmärkten mit hohem Wertschöpfungspotenzial etablieren, respektive dort ihre Position ausbauen und andere Werkstoffe aufgrund vorteilhafter Eigenschaften verdrängen. Grundsätzlich ist die Lebensdauer von MMC-Produkten deutlich höher als die von abgelösten Produkten. So gibt es bei MMC-Bremstrommeln oder -scheiben keine Korrosion, und bei IGBT-Modulen kann mit MMC aufgrund angepasster Ausdehnungskoeffizienten die thermische Ermüdung als Vergangenheit angesehen werden. MMC-Auslassleitschaufeln in Flugzeugtriebwerken halten dreimal länger als die abgelöste Ausführung aus Kunststoff mit Kohlefaserverstärkung (CFK). Es ist jedoch nicht realistisch, dass sich MMC in ähnlichem Ausmaß wie die Leichtmetalle Aluminium, Magnesium oder Buntmetalle ausbreiten werden. Vielleicht kann man in zwei bis drei Jahren Kochtöpfe mit MMC-Böden für den Haushalt kaufen, die zurzeit in der Entwicklung sind.Erhebliche Fortschritte wurden im Lauf der letzten Jahre in der Entwicklung und Implementierung von kostengünstigen Herstellungsverfahren für Massenanwendungen in der Verkehrstechnik gemacht. Heutzutage werden MMC-Werkstoffe von einigen Herstellern in großen Mengen und in reproduzierbarer guter Qualität angeboten. Einige MMC-Werkstoffe erfüllen sogar strengste Qualitätsanforderungen für die Zulassung in der Luft- und Raumfahrttechnik (Zertifizierung). Der Anwendungsbereich Thermal-Management, vorwiegend in der Hochleistungselektronik, hat sich relativ schnell entfaltet und etabliert. Viele MMC-Hersteller haben sich daher von ,,Garagenbetrieben" zu Hightech-Unternehmen entwickelt. Auch die Forschung und Entwicklung, an der auch die EMPA in Thun/Schweiz seit über sieben Jahren aktiv beteiligt ist, sowie nationale, europäische und amerikanische Netzwerke leisten einen wesentlichen Beitrag zur Verbreitung und Akzeptanz der MMC-Technologie in der Industrie.Optimierung der Fertigung wird Akzeptanz steigernVerborgenes Potenzial liegt noch in den Herstellungsprozessen. Daher kann erwartet werden, dass durch Innovationsschübe in diesen Bereichen die Werkstoffkosten weiter gesenkt werden können, so dass man dank der Entwicklung neuer Werkstoffkombinationen und der dazu benötigten Verfahren weiterhin Verbesserungen bei den spezifischen Werkstoffeigenschaften, wie Schadenstoleranz und Wärmeleitfähigkeit, erzielt - womit wiederum neue Anwendungsbereiche erschließbar sind. Auch wird erwartet, dass deutliche Fortschritte in der Herstellung endkonturnaher Komponenten (zum Beispiel mittels Rapid Prototyping) erzielt werden und so der Bearbeitungsaufwand sich drastisch senken lässt, was besonders bei diesen schwer bearbeitbaren Werkstoffen einen wichtigen Aspekt darstellt. Im Sinne der Nachhaltigkeit - geschlossener Werkstoff-Kreislauf - sowie aufgrund der zu erwartenden gesetzlichen Auflagen werden trotz der hohen Lebensdauer bestehende Recyclingkonzepte für MMC-Werkstoffe verbessert und neue Konzepte entwickelt werden müssen. Diese größtenteils bereits in die Wege geleiteten Weiterentwicklungen sind eine Voraussetzung zur zukünftigen Festigung der jetzigen Marktposition und zur Erschließung neuer Anwendungen.