Werkstoffe Hybride Werkstoffe in der Belchbearbeitung

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Gemeinsam sind sie stark. Hybride Werkstoffe bieten ein erhebliches Innovationspotenzial – aber auch Herausforderungen.

• Leichtbaupotenzial kombiniert mit den gutmütigen Eigenschaften von Metallen ist besonders in der Automobilindustrie und der Flugzeugbranche gefragt.

• Klebstoffe, die ab einer bestimmten Temperatur degradieren und nicht mehr existent sind, erleichtern das Recyceln der Verbundwerkstoffe.

• Der Blick fällt auch auf die Rezyklierfähigkeit der hybriden Werkstoffe.

Eigentlich stammt der Begriff „Hydride” aus der Biologie und steht für das Kreuzungsprodukt von zwei Gattungen oder Arten. Inzwischen haben es die Werkstoffwissenschaftler adoptiert. Sie bezeichnen Werkstoffverbunde, die aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, als hybride Werkstoffe. Diese Kreuzung soll die Eigenschaften von Produkten bei gestiegenen Anforderungen verbessern, insbesondere im Bereich Leichtbau. Typischerweise reduzieren sie die Masse von Tragwerksstrukturen bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Bauteilleistungsfähigkeit. So konstruierte Bauteile sind steifer, fester und schwingungsresistenter als ihre zum Vergleich nur aus einem Werkstoff hergestellten Vorgänger.

Trend: Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde

Immer wieder trifft man dabei auf die Verbindung zwischen Metallen und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Diese Werkstoffpaarung verspricht ein hohes Leichtbaupotenzial, wobei die gutmütigen Eigenschaften von Metallen ausgenutzt werden können. Das sind Eigenschaften die in der Automobilindustrie und der Flugzeugbranche gefragt sind. In den letzten Jahren haben diese hybriden Werkstoffe in der anwendungsorientierten Forschung große Aufmerksamkeit erlangt. Das verdeutlicht auch der neugeschaffene Lehrstuhl für Hybride Werkstoffe an der Universität Augsburg. Lehrstuhlinhaber ist der Werkstoffwissenschaftler Kay Weidenmann, der zuvor am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als Arbeitsgruppenleiter tätig war. Zu den typischen Anwendungen von Hybriden befragt, meint der Hochschullehrer, dass diese häufig in Form von Laminaten zum Einsatz kommen.

Es sind verbreitet Stahl- und Aluminiumbleche, die als Metallkomponente verwendet werden. Im Luftfahrtbereich greift man hier auch schon einmal auf Titan zurück. In Schichten mit faserverstärkten Kunststoffverbunden kombiniert, entstehen dann hybride Laminate. Bei der Entwicklung im Flugzeugbau wird der Trend zu Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen deutlich: Waren bei der Boeing 777 (Erstflug Juni 1994) noch knapp 10 % der Gesamtmasse Verbundwerkstoffe, sind es beim A380 (Erstflug April 2005) bereits 20 %. Bei der Boeing 787 (Erstflug Dezember 2009) besteht der Rumpf bereits zum Großteil aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Weidenmann bestätigt den Trend zum Einsatz in Richtung von Kohlenstofffaserverbunden auch in der Hybridisierung. Hierzu der Werkstoffwissenschaftler: „Beim Einsatz von Kohlenstofffasern bestehen Herausforderungen hinsichtlich des Korrosionsverhaltens. Da muss man das Grenzflächendesign im Blick haben. Das ist vor allem bei Verbindungen zwischen Aluminium und Kohlenstofffaserverbunden ein Entwicklungsthema.“

Schaltbarkeit von Grenzflächen

Häufig sind es Grenzflächenphänomene, die das Thema Hybridwerkstoffe dominieren. Eine Entwicklung ist, dass die Klebstoffe an der Grenzfläche zwischen Metall und Verbundwerkstoff so gestaltet sein können, dass sie ab einer bestimmten Temperatur degradieren und nicht mehr existent sind. Durch die gewollte Degradation der Grenzfläche lassen sich die Materialien einfach recyceln. Das Risiko besteht aber in dem Szenario einer ungewollten Überschreitung der Klebstoffzersetzungstemperatur während des Betriebs.

Wilfried Liebig ist Werkstoffwissenschaftler am KIT in Karlsruhe und leitet dort als Nachfolger Weidenmanns die Arbeitsgruppe „Hybride Werkstoffe und Leichtbau“. Als zentrales Element sieht der junge Wissenschaftler, dass Anforderungen an einen Werkstoff besser erfüllt werden können, wenn bei Bedarf zwei Werkstoffe verwendet werden. Anwendungen sieht Liebig gerade in der Automobil- sowie der Luft- und Raumfahrtindustrie. Allerdings stehen neue Anwendungen unter einem hohen Kostendruck. Sie können meistens nur durch eine Zusatzfunktion gerechtfertigt werden, die das günstigere Bauteil zuvor nicht hatte. In diesem Zusammenhang hat sich die Luft- und Raumfahrtindustrie einen Vorteil verschafft, weil der Kostenfaktor geringer in das Gewicht fällt. „Eine Frage, die gerade bei kunststoffbasierten Hybriden aus aktuellen Anlässen in den Vordergrund, rückt, ist die Rezyklierfähigkeit der Materialien“, sind sich Weidenmann und Liebig einig. Die oben skizzierte Schaltbarkeit von Grenzflächen ist hierzu ein Ansatz. Diese Entwicklungen gehören zu den neueren bei den hybriden Werkstoffen und sind mit einigen Vorbehalten verbunden. Jedoch wird der Blick auf die Rezyklierfähigkeit auch bei diesen Innovationsthemen schnell deutlich.

Deswegen wird ein großer Aufwand betrieben, um den Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur, der resultierenden Eigenschaften und der Fertigungshistorie der Hybride zu verstehen. Aus diesen Kenntnissen lassen sich Modelle ableiten, die eine Werkstoffoptimierung sowie im Idealfall die Vorhersage der Bauteileigenschaften ermöglicht, wodurch das erhebliche Innovationspotenzial hybrider Werkstoffe gehoben werden kann.

* Dr. Thomas Isenburg, Wissenschaftsjournalist aus Herne

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