Kategorie: Fachartikel

Informative und spannende Fachartikel aus Werkstoffe in der Fertigung.

Keramische Werkstoffe und Technologien als Schlüsselkomponenten für die Fertigung – Neues aus der Forschung

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Sialonfräser (Quelle: GFE Schmalkalden e. V., Sommertools).

Sialonfräser (Quelle: GFE Schmalkalden e. V., Sommertools).

Bauteile aus Hochleistungskeramiken, Hartmetallen und Cermets sind Schlüsselkomponenten im Maschinen- und Anlagenbau sowie der Fahrzeugtechnik. Sie kommen durch ihre überragenden Eigenschaften oft als einzige Lösung in Frage. Die Werkstoffe bieten sich traditionell für Verschleißteile und Werkzeuge sowie spezifisch beanspruchte Bauteile an. Weitere Einsatzbereiche sind Prüfsysteme und Sensorik für die Überwachung von Komponenten und Fertigungsanlagen auf Basis von Funktionskeramiken. Hybridtechnologien Kombinieren hier Formgebungstechnologien, Werkstoffe und Funktionen. Weiterlesen

Therapeutische Nanomaterialien

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Dr. Vanessa Hollmann, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Der steigenden Anzahl an Infektionskrankheiten, sei es durch verstärkt auftretende, bereits bekannte Infektionskrankheiten, eine wachsende Zahl multiresistenter Keime oder neu auftretende Viren mit möglichem Pandemie-Potential, muss mit einer schnellen und flexiblen Arzneimittelentwicklung begegnet werden. Therapeutika auf Basis von maßgeschneiderten Nanomaterialien könnten in Zukunft neue Möglichkeiten in der Behandlung solcher, aber auch anderer Krankheiten darstellen. Nanomaterialien umfassen dabei verschiedenste Partikel mit einer definierten Größe von meist weniger als 100nm. Weiterlesen

Thermoplast Kautschuk Coextrusion – Materialkombinationen für einen einstufigen Prozess

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Einsatz coextrudierter Profile

Elastomerprofile werden in vielen Anwendungsfeldern zur Mediendichtung oder Vibrations- und Stoßdämpfung eingesetzt. Um sie in ihrer Form zu stabilisieren und mit anderen Elementen zu verbinden, werden häufig hybride Profile mit harten und weichen Anteilen hergestellt. Durch Kombination der Werkstoffe in einem Produkt können ihre Stärken kombiniert und Schwächen kompensiert werden, z.B. durch Integration elastischer und starrer thermoplastischer Elemente. Bisher können solche Hybride nur in aufwendigen zweischrittigen Verfahren hergestellt werden, die meist auf die Verwendung von kostenintensiven Haftvermittlern angewiesen sind [1]. So werden bei Automobildichtungen z. B. Leisten aus Polyvinylchlorid (PVC) zur mechanischen Unterstützung der Dichtlippen an das Profil geklebt oder verstärkende Stahlbänder mit Kautschuk überzogen [2].

In einem Forschungsvorhaben des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) wird die Umsetzung eines Coextrusionsverfahrens untersucht, das eine Herstellung solcher Hybridprofile aus Elastomer und Thermoplast in einem Schritt ohne Haftvermittler ermöglicht. Dazu wird u. a. ein neuartiges Coextrusionswerkzeug entwickelt. Die Stoffströme werden im Werkzeug unter Druck zusammengeführt, so dass ein fester Verbund entsteht. Im Anschluss wird der Kautschuk durch Infrarotstrahlung vulkanisiert, wobei der Thermoplast abgeschirmt wird. In einem ersten Schritt wurden verschiedene Materialkombinationen aus Thermoplasten und Kautschuken hinsichtlich ihrer Verbundhaftung getestet, um deren prinzipielle Eignung für das geplante Vorgehen zu beurteilen. Weiterlesen

Simulationsgestützte Auslegung eines Spritzgießwerkzeuges zur Herstellung von kunststoffgebundenen Dauermagneten auf Duroplast Basis

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1. Einleitung

Die Anwendungsfelder von kunststoffgebundenen (ks.-geb.) Dauermagneten können aktuell primär den beiden Bereichen der Sensorik als Signalgeber und der Antriebstechnik zugeordnet werden. Im Bereich von Motorkonzepten kann unter anderem eine magnetische Anregung von Synchron- oder Gleichstrommaschinen durch den Einsatz von ks.-geb. Dauermagneten erfolgen, da mit Hilfe des Spritzgießprozesses eine hohe Geometriefreiheit ausgenutzt wird [1]. Hierdurch lassen sich bis zu 70 % der weltweiten Produktion von Elektromotoren mit Hilfe des neuen Antriebskonzeptes durch ks.-geb. Dauermagnete realisieren [2,3]. Die neuen Konzepte im Bereich von (A)synchronmaschinen ermöglichen durch die Ausnutzung der Geometriefreiheit eine Verbesserung der Leistung und des Wirkungsgrads, wodurch eine Miniaturisierung sowie eine deutliche Reduktion des Materialeinsatzes erfolgen kann. Aktuell kommen im Bereich von ks.-geb. Dauermagneten, die im Spritzguss gefertigt werden, vornehmlich Thermoplast basierte Matrixsysteme zum Einsatz. Durch den Einsatz von Duroplasten könnte die Medien- und Temperaturbeständigkeit deutlich erhöht werden, wodurch die Anwendungsbereiche von ks.-geb. Dauermagneten vor allem im Bereich der Antriebstechnik auch auf Pumpensysteme und die chemische Industrie erweitert werden könnte [4]. Die hohe Beständigkeit duroplastischer Werkstoffe beruht auf der Vernetzung der Molekularstruktur innerhalb des Duroplasten [5]. Zusätzlich weisen Duroplaste gerade im Bereich des Werkzeuges eine minimale Viskosität auf [6]. Dies kann für eine optimierte Orientierung von anisotropen Füllstoffen genutzt werden, um das magnetische Potential von hartmagnetischen Partikeln vollständig durch eine Ausrichtung zu nutzen und damit die magnetischen Eigenschaften im Bauteil zu erhöhen. Zusätzlich kann das geringe Kriech- und Setzverhalten von Duroplasten gegenüber Thermoplasten positiv bewertet werden [4]. Weiterlesen

SoftGripper als All-Rounder

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Abbildung 1: Aufbau des Soft-Grippers [3]

Abbildung 1: Aufbau des Soft-Grippers [3]

Die Intralogistik fordert eine immer höhere Flexibilität und Wandelbarkeit hinsichtlich der eingesetzten Technologien. Daher werden neben verwandten Themengebieten wie Materialhandling und Flurförderzeugen am Institut für Maschinenelemente und Technische Logistik (MTL) der Helmut-Schmidt-Universität aktive Systeme untersucht, die für die Handhabungs- und Transportprozesse in der Logistik eingesetzt werden können. Der Fokus der Forschung liegt auf zwei Arten der Aktorik, die zum einen auf dem Einsatz elektrorheologischer Fluide und zum anderen auf Elastomeren beruht. Diese ermöglichen eine besonders kompakte und flexible Konstruktion. Als Grundlage der Entwicklung von Logistikgreifern und -robotern für eine schonende Handhabung heterogener Sortimente werden in diesem Zusammenhang modulare elastische Fluid-Aktoren erforscht. Deren Einsatz hat in der Form von Greifern aus Balgaktoren in den letzten Jahren innerhalb der Intralogistik signifikant zugenommen. Durch die Verwendung nachgiebiger Materialien für Endeffektoren ist das Greifen von Objekten mit komplexen Geometrien oder Oberflächeneigenschaften möglich. Aufgrund dieser Vorteile hat sich das Einsatzfeld dieser Greifer bereits erweitert und immer neue Verwendungsmöglichkeiten werden erprobt.

In diesem Zusammenhang wurden an der Helmut-Schmidt-Universität der Elastogripper [1] sowie der SoftGripper entwickelt. Zur Konzeption des Ersteren erfolgte eine methodische Untersuchung der Greifartikel und Griffarten, die als Grundlage aller am MTL durchgeführten Greifer(weiter)entwicklungen dient. Dem vollaktuierten Elastogripper steht der unteraktuierte SoftGripper gegenüber. Nach dem Baukastenprinzip, vorgestellt in [2], lässt sich dieser aus vier Grundkomponenten bestehende modulare Endeffektor an individuelle Bedürfnisse anpassen (siehe Abbildung 1). Weiterlesen

Oberflächenfeinbearbeitung in der additiv-subtraktiven Fertigungskette

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Aufgrund der noch jungen Verfahren zur additiven Herstellung metallischer Bauteile gibt es entlang der additiv-subtraktiven Fertigungskette eine Menge Prozesserfahrung zu sammeln und Verständnis über die Wechselwirkungen aufzubauen. Im Rahmen des öffentlich geförderten Cornet/IGF-Forschungsvorhabens „Advanced Processing of Additively Manufactured Parts (Ad Proc Add)” (IGF-Fördernummer: EBG 255) beschäftigt sich das Institut für Spanende Fertigung (ISF) an der Technischen Universität Dortmund mit der Feinbearbeitung additiv hergestellter Bauteile und der wissenschaftlichen Analyse der Wechselwirkungen zwischen additiven Herstellverfahren und subtraktiver Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide. Die Kooperation mit anderen internationalen Forschungseinrichtungen (IfW Universität Stuttgart, GFE Schmalkalden, IFT TU Wien, Fotec FH Wiener Neustadt, IWF ETH Zürich, Inspire AG ETH Zürich, Department of Mechanical Engineering KU Leuven, Thomas More University College) ermöglicht hierbei den Austausch unterschiedlicher Werkstücke aus verschiedenen Materialien und unterschiedlicher additiver Herstellverfahren. Neben der Betrachtung von verschiedenen metallischen Werkstoffen, wie Edelstahl (1.4404), Werkzeugstahl (1.2709), Aluminium (AlSi10Mg) und Baustahl (S355), kommen als additive Fertigungsverfahren das pulverbettbasierte Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl (PBF-LB/M; engl.: Powder Bed Fusion – Laser Beam / Metal) sowie das Lichtbogen¬drahtauftragsschweißen (WAAM; engl.: Wire-Arc Additive Manufacturing) zum Einsatz. Weiterlesen

Hochfeste Kupferwerkstoffe für den Einsatz in wasserstoffhaltigen Atmosphären

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Wasserstoff – Ein Winzling vor einer großen Karriere?

Wasserstoff wird künftig eine zunehmende Rolle in der Energiepolitik spielen. Um die Klimaziele zu erreichen, werden derzeit an vielen Orten Simulationen und Grundsatzversuche zum Ersatz nicht regenerativer Brennstoffe durchgeführt. Hierzu unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung zahlreiche Projekte wie beispielsweise das H2Giga – Leitprojekt [1]. Die Inhalte bilden den kompletten Lebenszyklus von Wasserstoff ab. Angefangen von der Herstellung über den Transport, die Lagerung und Verteilung bis zum Endverbraucher werden die unterschiedlichsten Aspekte beleuchtet und durchgespielt.

Da bei allen Szenarien Werkstoffe eine große Rolle spielen, richten sich derzeit viele Untersuchungen auf die Materialverträglichkeit in flüssigem (kryogenen) und gasförmigem Wasserstoff über einen breiten Temperatur- und Druckbereich.

Häufig werden bekannte Vorfälle aus der Vergangenheit zitiert, wo offenbar Wasserstoff durch Materialversprödung zu einem Versagen mit mehr oder weniger großem Schaden geführt hat, wobei hier unterschiedlichste Industriebereiche betroffen sind. Bild 1 zeigt ein Brückenversagen in Mexiko aus 2003, welches durch das Zusammenspiel von Korrosion und Wasserstoff ausgelöst wurde.

Bild 1: Bauteilversagen infolge von Korrosion in Verbindung mit Wasserstoff [2]

Bild 1: Bauteilversagen infolge von Korrosion in Verbindung mit Wasserstoff [2]

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3D-Druck von Stelliten gelungen

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Bild 1: Gefüge von 3D-gedrucktem Stellite Celsit 21, geätzt mit Murakami (Fem18)

Bild 1: Gefüge von 3D-gedrucktem Stellite Celsit 21, geätzt mit Murakami (Fem18)

Stellite als Verschleißschutzlegierungen aus Kobalt, Chrom, Wolfram oder Molybdän, Nickel, Eisen und 0,3 bis 3,2 % Kohlenstoff haben sich einen festen Platz in der Technik gesichert. Erzeugt werden sie durch Gießen, Sintern oder als Beschichtung durch verschiedene Schweiß- oder Strahlverfahren. So besitzen Stellite bei Beanspruchungen auf abrasiven, adhäsiven und korrosiven Verschleiß Eigenschaften, die sie für eine Reihe von anspruchsvollen Anwendungen interessant machen. Durch die bisherigen Fertigungsverfahren war es nicht möglich, filigrane Strukturen wie oberflächennahe Kühlkanäle oder Ähnliches zu realisieren.

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt des Instituts für Werkzeugforschung und Werkstoffe Remscheid (IFW) und dem Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz-Universität Hannover (IFUM) ist es den Remscheider Mitarbeiter*innen gelungen, Stellitepulver für das selektive Laserstrahlschmelzen (LPBF/SLM) zu qualifizieren. Genutzt wurden Pulver der Deutschen Edelstahlwerke (DEW) vom Typ Celsit 21 und Celsit F. Dabei war es möglich, Celsit 21 ohne Vorwärmung mit einer Härte von 42 HRC und einer relativen Dichte von > 99,75 % zu drucken. Weiterlesen

Indoor Photovoltaik

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Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Klima und Energie sind aktuell zwei zen­trale Themen in Gesellschaft, Politik und Wirtschaft. Dies spiegelt sich auch im Bereich der Forschung und Entwicklung damit verbundener Technologien wider. Als nachhaltige Systeme zur Stromerzeugung spielen hier auch die verschiedenen Formen der Photovoltaik (PV) eine besondere Rolle. Bei dem speziellen Anwendungsbereich der Indoor Photovoltaik (IPV) werden Solarzellen in Innenräumen genutzt, in denen gedämpftes Tageslicht sowie Licht aus künstlichen Quellen (z. B. Glühlampen, Halogenlampen, Leuchtstofflampen und LED-Lampen) vorherrschen. Neben einer deutlich geringeren Lichtintensität (200-1000 Lux, Sonnenlicht: ~100.000 Lux), handelt es sich auch um Licht mit spezifischen Wellenlängen, die ausschließlich im sichtbaren Bereich liegen und deren Absorption bei herkömmlichen Solarzellen weniger gut ausgeprägt ist. Die IPV hat die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich gezogen, weil sie eine nachhaltige Energiequelle für die Stromversorgung z. B. von kleinen und kleinsten Verbrauchern in Innenräumen darstellen kann. Gerade in Gebäuden wie beispielsweise Krankenhäusern, Polizeiwachen oder Forschungs- und Bildungseinrichtungen ist das Licht bis zu 24 Stunden am Tag an. Hier könnten zum Beispiel Sensoren für Temperatur, Luftfeuchte, CO2 oder tragbare Elektronik dauerhaft mit IPV betrieben werden. Weiterlesen

Additiv gefertigte Batterien

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Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Im Bereich der Energiespeicher ist seit geraumer Zeit eine enorme Dynamik bei der Entwicklung neuer Konzepte und Speichermaterialien zu beobachten, da sich der generelle Trend zur Miniaturisierung von drahtlosen Sensoren, Aktoren sowie zur Nutzung aktiver Transponder zur Radiofrequenz-Identifikation fortsetzt. Außerdem setzt sich langsam die Elektrifizierung unterschiedlichster, auch großer und schwerer Verkehrsmittel durch.

Der Aspekt der additiven Fertigung, auch als 3D-Druck bezeichnet, als mögliche Methode zur Produktion von Energiespeichern ist vergleichsweise neu. Der Schwerpunkt dieser Bemühungen liegt bei den sekundären Batteriesystemen, auch Akkumulatoren genannt, die wieder aufgeladen werden können, sowie primären Batteriesystemen, die nicht für eine Aufladung vorgesehen sind. Weiterlesen