Kategorie: Fachartikel

Informative und spannende Fachartikel aus Werkstoffe in der Fertigung.

Spanen und Walzen nichtrostender amagnetischer Stähle

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Einleitung

Herkömmliche nichtrostende austenitische Stähle (FeCrNi) enthalten als wesentliche Legierungselemente Chrom (ca. 18 Ma.-%) und Nickel (ca. 8 Ma.-%). Ein ausreichend hoher Chromgehalt führt zur Ausbildung einer dünnen, dicht haftenden Passivschicht, welche die Korrosionsbeständigkeit gewährleistet. Nickel dient hauptsächlich der Stabilisierung der austenitischen Phase [1]. Im Allgemeinen ergeben sich für FeCrNi-Austenite als charakteristische Eigenschaften eine hohe Korrosionsbeständigkeit sowie sehr gute Zähigkeit und Duktilität. Demgegenüber steht eine für viele Anwendungen ungünstige relativ geringe Festigkeit. Eine Festigkeitssteigerung ist durch Kaltverfestigung möglich, dies kann jedoch mit einer verformungsbedingten Phasenumwandlung von Austenit in Martensit einhergehen. Eine weitere Möglichkeit stellt die Zugabe von (interstitiellen) Zwischengitterelementen, insbesondere Stickstoff, dar, wodurch eine höhere Festigkeit, bessere Kaltverfestigung und gleichzeitig eine Stabilisierung der austenitischen Phase erreicht werden kann, so lange die interstitiellen Elemente im Metallgitter gelöst vorliegen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Löslichkeit von Stickstoff in FeCrNi-Stählen begrenzt ist, jedoch durch eine (teilweise) Substitution von Nickel durch das ebenfalls austenitstabilisierende Element Mangan erhöht werden kann. Hierdurch können höhere Stickstoffmengen bis ca. 0,6 Ma.-% zugesetzt werden („High Nitrogen Steels“ („HNS“)) [2]. Weiterlesen

Naturfaser-soft-touch-Oberflächen

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Nachhaltige Materialentwicklungen ohne Einbußen beim Design und Komfort sind seit einigen Jahren ein wesentlicher Innovationstreiber bei der Herstellung von Verkleidungsteilen im automobilen Innenraum. Sichtbare Naturfaseroberflächen sind ebenso Stand der Technik wie druckelastische Bauteile. Bislang war es aber noch nicht möglich, beides ansprechend miteinander zu kombinieren. Bauteile mit angenehmen soft-touch Eigenschaften sind derzeit noch aus Mehrstoffsystemen mit weichen Zwischenschichten aufgebaut. Letztere können  häufig nur mit erheblichem Kosten- und Energieaufwand gefertigt werden  und deren Materialien (PVC-Slushhäute, isocyanatbasierte Schäume, Abstandgewirke) lassen sich nur schwer recyceln und sind daher mit den Nachhaltigkeitszielen schwer zu vereinbaren.

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens hat das Thüringische Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V. Prozesse und Materialien untersucht, um ansprechende, druckelastische bzw. soft-touch Oberflächen auf Basis von Naturfaserverbundwerkstoffen zu entwickeln (Abb. 1).

Abb. 1: Materialaufbau

Abb. 1: Materialaufbau

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Business Analytics Anwendungen in der Logistik

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Der Begriff Business Analytics (BA) beschreibt die datengetriebene Analyse von Geschäftsprozessen. Ziel ist es, mittels IT-Einsatz und unter Anwendung mathematischer und statistischer Verfahren vergangenheits- und zukunftsorientierte Einblicke in ein Unternehmen zu erhalten um, darauf aufbauend, möglichst optimale Handlungsempfehlungen abzuleiten. Die folgenden Ausführungen sind dazu gedacht, dem Leser anhand logistischer Fragestellungen ein grundsätzliches Verständnis für den Begriff „Business Analytics“ zu vermitteln.

Drei Teilbereiche

Weithin anerkannt ist die Sichtweise, dass Business Analytics in drei Bereiche unterteilt werden kann. Diese sind

(1) Descriptive Analytics,

(2) Predictive Analytics und

(3) Prescriptive Analytics.

Abbildung 1 positioniert diese Teilbereiche hinsichtlich ihrer Umsetzungsschwierigkeit/Fortschrittlichkeit und dem Mehrwert, den sie typischerweise in Unternehmen stiften. Die folgenden Abschnitte gehen näher auf diese Systematisierung ein.

Abbildung 1: Descriptive, Predictive und Prescriptive Analytics (in Anlehnung an Gartner).

Abbildung 1: Descriptive, Predictive und Prescriptive Analytics (in Anlehnung an Gartner).

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Textiles Energy Harvesting

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

Die Entwicklung intelligenter Textilien hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Dabei wurden Textilien mit immer mehr „smarten“ Funktionen ausgestattet, etwa der, die Vitalparameter ihres Trägers zu erfassen, Energie zu speichern und für verschiedene Geräte zur Verfügung zu stellen, ihre Farbe passend zur Stimmung ihres Trägers zu verändern oder für eine bessere Klimatisierung zu sorgen. Damit stehen sie für eine große Bandbreite an Anwendungen zur Verfügung: von der Gesundheitsvorsorge und Telemedizin über den Sport- und Freizeitbereich bis hin zum Rettungsdienst. Eine große Einschränkung stellt derzeit jedoch noch die zuverlässige Versorgung solcher intelligenten Textilien mit ausreichend Energie dar. Zwar befinden sich bereits textile Batterien und Superkondensatoren in der Entwicklung und intelligente Textilien lassen sich auch mit herkömmlichen Batterien kombinieren. Doch müssen beide Arten von Energiespeichern regelmäßig aufgeladen werden. Das erweist sich in der Regel als unpraktisch und herkömmliche Batterien sind im Vergleich zu einer textilen Energieversorgung schwer und klobig. Daher wird verstärkt daran geforscht, die Textilien selbst mit der Fähigkeit zur Energiegewinnung aus der Umgebung zu versehen. Weiterlesen

Kostengünstige keramische Faserverbundwerkstoffe (Low-Cost-CMC) für mittlere Anwendungstemperaturen

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Eine Möglichkeit zur Kostenreduzierung von keramischen Faserverbundwerkstoffen (CMC) bietet die Verwendung kostengünstiger Basalt- oder Glasfasern anstelle von Keramikfasern – in Kombination mit bei niedrigen Prozesstemperaturen ausgehärteten oder gesinterten Matrices. Anders als herkömmliche CMC, die üb­licherweise bei Temperaturen über  1000 °C eingesetzt werden können, sind diese Low-Cost-CMC für den Einsatz  bei mittleren Temperaturen zwischen 300 °C und 800 °C ausgelegt. Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick über das Thema und beleuchtet einige damit verbundene Aktivitäten des Fraunhofer-Zentrums für Hochtemperatur-Leichtbau HTL.

Einleitung

CMC besitzen eine hohe mechanische Festigkeit, Bruchzähigkeit, chemische Beständigkeit und eine geringe Dichte, sodass sie sich ideal als Leichtbauwerkstoff in rauer Umgebung eignen. Im Vergleich zu monolithischen Keramiken liegt der Hauptvorteil von CMC in der hohen Dehnung bei mechanischer Beanspruchung, was zu einem schadenstoleranten Verhalten führt. CMC werden durch Einbettung von keramischen Verstärkungsfasern in eine keramische Matrix hergestellt. Üblicherweise werden entweder nicht-oxidische Keramikfasern aus SiC oder Kohlenstofffasern in Kombination mit einer nicht-oxidischen Matrix verwendet, oder oxidische Keramikfasern werden in eine oxidkeramische Matrix eingebettet. Die entsprechenden CMC werden als nicht-oxidisch bzw. oxidisch bezeichnet. Weiterlesen

Polieren und Entgratung metallischer Bauteile mittels Laserstrahlung

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Einführung und Prozessgrundlagen Laserpolieren

Da Polierprozesse einen großen Einfluss auf die funktionalen und ästhetischen Eigenschaften haben, spielen sie in vielen Branchen eine entscheidende Rolle in den Fertigungsketten. Derzeitige automatisierte Poliertechniken können häufig nicht für Teile mit Freiformflächen und funktionsrelevanten Kanten verwendet werden. Daher erfolgt die Endbearbeitung dieser Teile häufig manuell. Aufgrund der geringen Bearbeitungsgeschwindigkeit (typischerweise im Bereich von 1 bis 30 min / cm²) und des sequentiellen Arbeitsablaufs ist das manuelle Polieren komplexer Freiformoberflächen zeitaufwändig und kostenintensiv. Darüber hinaus hängt die resultierende Oberflächenqualität von den Fähigkeiten und der Tagesform des Polierers ab. Ein neuer Ansatz zur Automatisierung der Politur auch komplexer Freiformoberflächen stellt das Laserpolieren dar. Die vollständige Automatisierung, die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Beibehaltung der Form sind die drei Hauptvorteile. Zudem ist das Laserpolieren ein sehr sauberes Verfahren, da die Werkstücke nicht mit Schleif- oder Polierstäuben und -mitteln verunreinigt werden. Weiterlesen

Ein innovativer und leistungsstarker Verbundwerkstoff:

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Dr. Sebastian Kirmse, Dr.-Ing. in Systems Engineering, Senior Consultant im Bereich R&D Transformation bei MHP (Quelle: MHP)

Dr. Sebastian Kirmse, Dr.-Ing. in Systems Engineering, Senior Consultant im Bereich R&D Transformation
bei MHP (Quelle: MHP)

Z-Threaded Carbon Fiber Reinforced Polymer (ZT-CFRP)

Leichtere, leistungsfähigere und multifunktionale Werkstoffe sind mittlerweile in allen Branchen gefragt. Der innovative Verbundwerkstoff ZT-CFRP, der von einer Forschungsgruppe der University of South Alabama entwickelt wurde, kann die Nachteile herkömmlicher kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFRP) überwinden und neue Möglichkeiten in der Produktion bieten. Mithilfe von MHP soll ZT-CFRP nun marktfähig gemacht werden.

Es ist nichts Neues, dass Automobil- und Flugzeughersteller schon seit vielen Jahren den Leichtbau forcieren, um kraftstoffsparende Vehikel auf den Markt zu bringen. Dabei sollen Materialien zum Einsatz kommen, die nicht nur leicht, sondern zugleich robust sind und den Insassen damit Sicherheit bieten. Wenn sich die Materialien dann noch sehr effizient herstellen lassen ist das der Idealfall. Weiterlesen

2D-Magnete

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

Mindestens schon seit der Seefahrt der Antike hat der Magnetismus den Menschen begleitet und wird heute in Technologien wie Festplattenspeichern und für medizinische Bildgebungsverfahren verwendet. Dieser langen Geschichte steht das sehr junge Forschungsfeld der 2D-Materialien gegenüber, das erst – ausgehend von der Entdeckung des Graphens – seit weniger als 20 Jahren eingehender untersucht wird. Obgleich seitdem sehr viele 2D-Materialien vorhergesagt, gefunden und isoliert wurden, war lange nicht klar, ob es auch magnetische 2D-Materialien geben könnte. Durch Modifikationen nicht-magnetischer 2D-Materialien, z. B. durch Einfügen von Defekten, kann zwar Magnetismus in diesen Materialien generiert und induziert werden, aber gänzlich intrinsische 2D-Magnete waren noch bis vor 5 Jahren unbekannt. Zwar wurde diese Eigenschaft bereits Mitte des letzten Jahrhunderts vorhergesagt, aber es gelang erst 2016 ein erstes permanent magnetisches 2D-Material zu isolieren. Weiterlesen

Einsatz von Zementbeton für den Ständer einer Werkzeugmaschine

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Abstract

Strukturkomponenten von Werkzeugmaschinen werden überwiegend aus den Materialien Stahl oder Gusseisen hergestellt. Daneben wird jedoch auch angestrebt Potenzial zur Reduktion von Kosten zu erschließen und das dynamische Maschinenverhalten durch den Einsatz alternativer Materialien zu verbessern. Der Einsatz von zementgebundenem Beton stellt hierbei aufgrund seiner hohen Materialdämpfung und vergleichsweise geringen Materialkosten einen vielversprechenden Ansatz dar. In einem aktuellen Forschungsprojekt am WZL der RWTH Aachen werden daher Rahmenbedingungen für einen zielgerichteten Einsatz von Zementbeton in Werkzeugmaschinen untersucht. In diesem Artikel werden die Ergebnisse der dynamischen Maschinenuntersuchung an einer Fräsmaschine mit einem Fahrständer aus Zementbeton erläutert und mit den Ergebnissen eines Fahrständers aus Gusseisen verglichen. Weiterlesen

Local Hydrogen Analysis – eine mobile Untersuchungsmethode zur Vermeidung wasserstoffinduzierter Schäden

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Bild 1: Beispiel von abgeplatzten Oberflächen einer Arbeitswalze (Rössler et al.; Sonderband Prakt. Metallographie 36, 2004, S. 329-335)

Bild 1: Beispiel von abgeplatzten Oberflächen einer Arbeitswalze (Rössler et al.; Sonderband Prakt. Metallographie 36, 2004, S. 329-335)

In der Technik gibt es den Trend zur Verwendung von immer höherfesten Stählen mit Zugfestigkeiten im Bereich oberhalb von 1.000 MPa. Schrauben werden schon bis zu einer Festigkeit von 1.800 MPa eingesetzt. In der Diskussion steht aktuell, Spannstähle mit Festigkeiten über 2.300 MPa zu verwenden. Bei diesen hohen Festigkeiten steigt die Gefahr der Wasserstoffversprödung rasant an, die zum plötzlichen, katastrophalen Versagen der Bauteile führen kann.

Es ist notwendig, sowohl bei der Bauteilherstellung als auch im Betrieb die Randbedingungen für einen sicheren Einsatz zu kennen. Hierfür werden vor allem Wasserstoffanalysemethoden wie Hydrogen Collecting Analysis (HCA) und Thermodesorptionsanalyse (TDA) verwendet. Allerdings ist die Probenpräparation zerstörend. Je nach zu analysierenden Bauteilen (Walzen, Schweißnähte etc.) ist der Aufwand hoch und Untersuchungen, die begleitend zur Produktion die Wasserstoffaufnahme erfassen sollen, können nur mit einer Serie von Bauteilen durchgeführt werden. Weiterlesen