Werkstoffwoche Dresden Neue Werkstoffe für vielfältige Anwendungen

Das Know-how eines Bauteils liegt oft auch im Material. Einen Überblick über Trends und Anwendungen im Bereich neue Materialien konnten sich die Besucher auf der Dresdner Werkstoffwoche verschaffen.

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(Bild: Fraunhofer IWS Dresden)

Ob neuartige metallische Strukturen, hybride Werkstoffe, Verbundwerkstoffe aus Faserkeramik oder Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit – vom 14. bis 17. September drehte sich alles um neue Werkstoffe. So präsentierten etwa 80 Aussteller neue Werkstoffe und Anwendungen, optimierte Herstellprozesse, Mess- und Prüftechniken sowie Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstrategien. Wie umfangreich und komplex das Thema Werkstoffe ist, verdeutlichte das Rahmenprogramm mit einer Vielzahl von Vorträgen und Seminaren rund um die Anwenderindustrien. Außerdem standen 14 teils mehrtägige wissenschaftliche Symposien auf dem Programm, so beispielsweise zu den Themen additive Fertigung, Surface Engineering, Werkstoffe der Energietechnik, Leichtbau oder Umformtechnik.

Dicke Hartstoffschichten für extreme Belastungen

Spezialisten des Fraunhofer-IWS Dresden stellten auf der Messe einen neuen Lösungsansatz vor, welcher die Herstellung harter Beschichtungen im Dickenbereich größer 100 μm ermöglicht. Zwar sind verschleißmindernde PVD-Beschichtungen in der Zerspanungs-, Umform- und Kunststofftechnik seit Jahrzehnten erfolgreich im Einsatz, meist allerdings mit Schichtdicken im Bereich von 3 bis 5 μm. Für hoch belastete Oberflächen bieten dicke, harte Verschleißschutzschichten jedoch einen besseren Schutz. Ihre Herstellung ist aber wesentlich schwieriger.

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„Dicke Hartstoffschichten lassen sich prozesssicher herstellen, wenn das Wachstum von Schichtdefekten unterdrückt und die Spannungszustände in der Schicht beherrscht werden“, sagt Dr. Otmar Zimmer, Gruppenleiter PVD-Schichten am Fraunhofer-IWS Dresden. Dies gelingt den Fraunhofer-Forschern mithilfe einer nanolagigen Struktur. Auf diese Weise können mehr als 100 μm dicke Schichten prozesssicher und wirtschaftlich hergestellt werden.

Insbesondere für Werkzeugbeschichtungen ergeben sich damit jetzt neue Perspektiven. So eignen sich die Schichten für Werkzeuge wie Wendeschneidplatten, Fräser, aber auch Ur- und Umformwerkzeuge mit höchster Oberflächengüte. Darüber hinaus ist auch die Beschichtung hoch belasteter Bauteiloberflächen möglich, beispielsweise für die Massivumformung. „Verschiedene Labor- und Einsatztests haben gezeigt, dass die im Fraunhofer-IWS erzeugten dicken Schichten eine hohe Härte und Abrasionsbeständigkeit bei hohen Flächenpressungen besitzen. Im geschmierten Tribosystem weisen sie eine geringe Reibung gegenüber Stahloberflächen sowie eine exzellente Haftfestigkeit auf und neigen weder zur Rissbildung noch zu Kaltaufschweißungen“, unterstreicht Zimmer die Relevanz für Industrieanwendungen.

Verschleißschutz für Getriebe, Motoren und Lager

Verschleißschutzbeschichtungen zur Reibungs- und Verschleißreduzierung für Getriebe, Verbrennungsmotoren und Lager präsentierte die Rewitec GmbH aus Lahnau. Die Nanobeschichtung kommt überall dort zum Einsatz, wo metallische Oberflächen aneinander reiben. Entsprechend breit ist die Anwendungspalette: Getriebe, Lager, Motoren, Kompressoren und vieles mehr.

Die Beschichtungen bestehen aus einer Mischung aus Nano- und Mikrosilikaten. Sie bauen unter Druck und Temperatur in tribologischen Systemen eine passivierende Schicht auf den reibenden Flächen auf. Diese Veredelung schützt dann die Anlage und Verschleißschäden in der metallischen Oberfläche werden geglättet und behoben. Durch den Wiederaufbau verschlissener Oberflächen und die Reduzierung von Reibung und Verschleiß wird der Wirkungsgrad optimiert, Laufgeräusche werden reduziert und Wartungsintervalle deutlich verlängert.

Neue Fügetechnik nutzt reaktive Multischichten als Wärmequelle

Auch für den Bereich der Fügetechnik gewinnen neue Materialien zunehmend an Bedeutung, beispielsweise bei Mikrosystemen. Diese werden im Zuge der fortschreitenden Systemintegration immer dichter gepackt. Gerade bei der Vielzahl an unterschiedlichen Werkstoffen sowie empfindlichen Bauteilen und Substratoberflächen führt dies beim Fügen und Kontaktieren vermehrt zu Bauteilschädigungen. Die zum Fügen von mikroelektronischen oder mikromechanischen Bauteilen eingesetzten Fügeverfahren haben im Allgemeinen eine hohe Erwärmung in der Fügezone sowie in deren Grenzbereich zur Folge. Dies kann zu einer Minderung der Festigkeit im Materialgefüge oder auch zu Eigenspannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung der zu fügenden Bauteile führen.

Ein neuer Ansatz, die für das Fügen notwendige Wärme kurzzeitig, also unter 10 ms, und lokal begrenzt in den Bereich der Fügezone einzubringen, wird durch sogenannte reaktive Nanofolien ermöglicht. Dabei werden die exotherm reagierenden Folien zwischen die zu fügenden Bauteilkomponenten gelegt und mit Druck beaufschlagt.

Nach dem Zünden der Folie werden dann entweder auf dem Bauteil befindliche Lotschichten oder auf der Nanofolie im Vorfeld applizierte Lote lokal aufgeschmolzen und eine stabile Fügeverbindung entsteht. Die reaktiven Nanofolien bestehen aus Multilayern mit nanoskaligen Nickel- und Aluminiumschichten, die mittels physikalischer Gasphasenabscheidung hergestellt werden.

Bei der Firma Innojoin GmbH & Co. KG in Bremen, die diese Technik vorstellte, werden diese Folien eingesetzt, um unterschiedlichste Materialien miteinander zu kontaktieren und entsprechende Fügeprozesse technologisch zu entwickeln. Dabei können neben rein metallischen Fügepartnern auch Werkstoffe mit deutlich verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Keramiken, CFK, aber auch Glas reproduzierbar und in Millisekunden gefügt werden, wobei nach Unternehmensaussage fast eigenspannungsfreie Fügeverbindungen entstehen. Momentane Forschungsfelder sind Anwendungen aus dem Bereich der Elektromobilität, Elektronik, Laser- und Beschichtungstechnik.

Die erzeugte Wärme der exotherm reagierenden Folie konzentriert sich ausschließlich in der Fügezone und ist damit eine effektive Verbindungstechnik, um bei niedrigen Temperaturen prozesssicher zu fügen. Durch die kurzfristige Wärmeeinwirkung werden beispielsweise Lot- oder Klebschichten aufgeschmolzen, ohne dass die Grundmaterialien besonders erwärmt werden müssen.

Klimaschutz und Effizienz in der Nichteisen-Metallindustrie

Auch „Metalle pro Klima“, die Unternehmensinitiative in der Wirtschaftsvereinigung Metalle (WVM), war auf der Werkstoffwoche in Dresden vertreten. WVM-Präsident Harald Kroener lobte die inhaltliche Breite der Messe. Auch die WVM sei multimetallisch aufgestellt und agiere seit jeher werkstoffübergreifend. Dieser breit angelegte Ansatz habe sich bewährt. „Es gibt zahlreiche metallübergreifende Fragestellungen, wie das Recycling, die Energiepolitik oder die Rohstoff- und Handelspolitik. Dafür lohnt sich der Schulterschluss“, betonte Kroener. Er machte zugleich auf die Ressourceneffizienz von Metallen aufmerksam. „Unsere Metalle stehen für Nachhaltigkeit. Sie werden gebraucht und nicht verbraucht. Ressourceneffizienz ist eine Kernkompetenz der Nichteisen-Metallindustrie.“

Schätzungen zufolge würden 80 Prozent des jemals erzeugten Kupfers und 75 Prozent des jemals erzeugten Aluminiums heute noch genutzt. „In Zukunft sprechen wir nicht nur von Mining, sondern auch von Urban Mining. Der Mensch hat einen eigenen Metallpool angelegt und dieser Metallpool wächst. Infrastruktur und Produkte sind die neuen Metallspeicher. Kommende Generationen werden vom Urban Mining profitieren“, so der WVM-Präsident weiter.

Die Initiative, ein Zusammenschluss von 18 führenden Unternehmen der Nichteisen-Metallindustrie, verdeutlichte auf der Messe, dass Nichteisen-Metalle Werkstoffe sind, die Zukunft gestalten. So gebe es keine Innovation ohne die Verwendung von Nichteisen-Metallen – vom Kupferstecker für Elektroautos über Alukarosserien im Automobilbau, korrosionsfest verzinkte Baumaterialien und Lithium-Ionen- Akkus bis hin zur recycelten Blei-Starterbatterie. „Windräder, Solarzellen und Elektromobile funktionieren nur mittels energieintensiv erzeugter Grund- und Werkstoffe der NE-Metallindustrie“, heißt es weiter.

* Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde ist Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik in 99094 Erfurt

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Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

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Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik