Kategorie: Forschung

Umformung von Bauteilen aus hochverfestigenden Werkstoffen zur Vermeidung von Wärmebehandlungen – Potentiale und Herausforderungen

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Einleitung

Bedingt durch die Bedeutung des Klimaschutzes für unsere Gesellschaft ist ein industrieller Wandel erforderlich. Im Jahr 2014 war etwa ein Drittel der globalen Treibhausgasemissionen dem Industriesektor zuordenbar [1]. Es wird erwartet, dass der Energiebedarf der Industrie in den kommenden Jahren weiter steigt und dass bis zum Jahr 2040 beinahe zwei Fünftel des weltweiten Energieverbrauchs auf den Industriesektor entfallen werden [2]. Dementsprechend spielt die Nachhaltigkeit von Produktionsprozessen eine zunehmend wichtige Rolle. Im Rahmen von Kaltmassivumformprozessen wird oftmals eine zusätzliche Wärmebehandlung der Werkstücke durchgeführt, um die Umformbarkeit zu erhöhen, die defektfreie Umformung überhaupt erst zu ermöglichen oder um für den Bauteileinsatz erforderliche Bauteileigenschaften zu erreichen. Somit stehen den effizienten Produktionsprozessen durch Umformung die teilweise damit verbundenen energieintensiven Prozessschritte der Wärmebehandlung entgegen. Gemäß [3] werden 40 % der im industriellen Umfeld in Deutschland genutzten Energie für Wärmebehandlungsprozesse verbraucht. Daher werden neue Ansätze benötigt, um den Forderungen der Politik und der Gesellschaft im Hinblick auf den Klimaschutz gerecht zu werden. Es werden bereits Lösungen zur Steigerung der Energieeffizienz von Industrieöfen erarbeitet [4]. Bei Kaltmassivumformprozessen besteht aber auch das große Potential, die Wärmebehandlung der Bauteile vollständig zu vermeiden und somit die Ressourceneffizienz der Gesamtprozesse zu steigern. Ein Ansatz, um dies zu erreichen, ist der Einsatz hochverfestigender Werkstoffe. Hierbei muss sichergestellt sein, dass auch ohne Wärmebehandlung eine fehlerfreie Umformung möglich ist. Zusätzlich müssen die geforderten Bauteileigenschaften ausschließlich durch die Umformoperation erzielbar sein. Dieser Ansatz wird im Folgenden am Beispiel der Herstellung von Halbhohlstanznieten für das mechanische Fügen dargelegt.

Abbildung 1: Ansatz für die Steigerung der Ressourceneffizienz bei der Herstellung von Halbhohlstanznieten

Abbildung 1: Ansatz für die Steigerung der Ressourceneffizienz bei der Herstellung von Halbhohlstanznieten

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Numerische Abbildung oberflächennaher Korrosion am kaltgewalzten Edelstahl 316L mit Martensitbildung unter Werkzeugkontakt

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Abbildung 1: Verfahrensprinzip des Kaltwalzens und Modellaufbau in Simufact Forming V2024

Abbildung 1: Verfahrensprinzip des Kaltwalzens und Modellaufbau in Simufact Forming V2024

Um die Lebensdauer der nicht beschichteten, metallischen Bipolarplatten von Brennstoffzellen zu erhöhen, sollte die Korrosion an kritischen Stellen möglichst langsam ablaufen. Anhand von kaltgewalzten 316L-Edelstahlproben wurden mikrostrukturelle Veränderungen der Oberflächen analysiert und durch multiple Regressionsanalysen Modellgleichungen zur Vorhersage der Korrosionsrate erstellt, die in FEM-Simulationen integrierbar sind. Diese Simulationen ermöglichen es, die Korrosionsanfälligkeit von Bauteilen vorherzusagen und gefährdete Bereiche anzupassen. Weiterlesen

Neues Material ebnet den Weg für On-Chip Energy Harvesting

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Forschenden aus Deutschland, Italien und Großbritannien ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung eines Materials gelungen, das Energierückgewinnung auf dem Mikrochip in Zukunft möglich machen könnte. Bei ihrer Legierung aus Germanium und Zinn handelt es sich um ein sogenanntes thermoelektrisches Material, das geeignet erscheint, die Abwärme von Computerprozessoren in Elektrizität umzuwandeln. Da alle Elemente aus der 4. Hauptgruppe des Periodensystems stammen, kann die neue Halbleiterlegierung leicht in den Prozess der Chipfertigung integriert werden. Weiterlesen

Zerstörungsfreie Analyse von Klebverbindungen

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Die Fügetechnologie Kleben ist ein elementarer Bestandteil in Medizin, Technik und Alltag. Gegenüber anderen Fügetechnologien besitzt sie bekannte Vorteile wie eine energiearme Applikationsform und eine gleichmäßige Kraftverteilung innerhalb der Fügefläche. Das größte Potential besitzen Klebstoffe beim Fügen unterschiedlicher Werkstoffe, vor allem von Kunststoffen. Kunststoffe sind heutzutage selbst ein Hightechprodukt, werden den Anforderungen entsprechend maßgeschneidert hergestellt und können mit verschiedensten Fasern und Additiven versetzt sein. 
Diese enorme Eigenschaftsbandbreite stellt eine große Herausforderung für eine erfolgreiche Klebung dar, da es zu unerwünschten Spannungen in der Fügefläche kommen kann. Um Aussagen über Qualität und Langlebigkeit solch einer geklebten Verbindung zu erhalten, werden aber i. d. R. nur Probekörper oder einzelne Baugruppen stichprobenartig herangezogen und zerstörend geprüft. Wünschenswert wäre hingegen, reale, belastete Bauteile vor Ort einer zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) unterziehen zu können, wie es bei metallenen Werkstücken bspw. mittels Ultraschall möglich ist.[1] Weiterlesen

Pyrolyse für hochwertige Recycling-Kunststoffe

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© Fraunhofer IKTSEinordnung des chemischen Recyclings mittels Pyrolyse in ein ganzheitliches Recyclingkonzept. Pyrolyse-Drehrohrofen im Technikumsmaßstab mit eigens entwickelter Kondensationsanlage im Vordergrund

© Fraunhofer IKTS
Einordnung des chemischen Recyclings mittels Pyrolyse in ein ganzheitliches Recyclingkonzept. Pyrolyse-Drehrohrofen im Technikumsmaßstab mit eigens entwickelter Kondensationsanlage im Vordergrund

Kunststoffe aus Polycarbonat sind wegen ihrer Vielseitigkeit und hohen Qualität begehrte Werkstoffe in der Industrie. Aber das Recycling der Kunststoffabfälle stößt derzeit noch an Grenzen, denn mechanische Recyclingverfahren generieren nicht für alle Anwendungen ausreichende Recyclat-Qualitäten. Fraunhofer-Forschende haben gemeinsam mit dem Chemieunternehmen Covestro Deutschland AG eine Methode entwickelt, mit der sich die Ausgangsstoffe der Polycarbonate zurückgewinnen lassen: In der katalytischen Pyrolyse, dem kontrollierten Erhitzen unter Sauerstoffausschluss, zerfallen die Plastikabfälle in ihre Bestandteile. Hersteller nutzen die Rohstoffe für die Herstellung neuer Kunststoffe. Weiterlesen

Heute die Materialien von morgen modellieren

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Ausschnitt aus einer Kathodenschicht (rund 100 Mikrometer, links), bestehend aus kugelförmigen Partikeln (Durchmesser rund zehn Mikrometer, Mitte), sowie Simulation (rechts) des Natriumanteils in einem Natrium-Nickel-Manganoxid-Kristall. (Grafik: Simon Daubner, KIT)

Ausschnitt aus einer Kathodenschicht (rund 100 Mikrometer, links), bestehend aus kugelförmigen Partikeln (Durchmesser rund zehn Mikrometer, Mitte), sowie Simulation (rechts) des Natriumanteils in einem Natrium-Nickel-Manganoxid-Kristall. (Grafik: Simon Daubner, KIT)

Welche Faktoren bestimmen, wie schnell sich eine Batterie laden lässt? Dieser und weiteren Fragen gehen Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit computergestützten Simulationen nach. Mikrostrukturmodelle tragen dazu bei, neue Elektrodenmaterialien zu entdecken und zu untersuchen. Für Natrium-Nickel-Manganoxid als Kathodenmaterial in Natrium-Ionen-Batterien zeigen die Simulationen Änderungen der Kristallstruktur beim Ladevorgang. Sie führen zu einer elastischen Verformung, wodurch die Kapazität schrumpft. Weiterlesen

Molekularer Schwamm für die Elektronik der Zukunft

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Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung von Dr. Florian Auras von der TU Dresden ist es gelungen, ein neuartiges Material in dem noch recht jungen Forschungsfeld der kovalenten organischen Netzwerkverbindungen zu entwickeln. Das neue zweidimensionale Polymer zeichnet sich dadurch aus, dass sich seine Eigenschaften gezielt und reversibel steuern lassen. Damit sind die Forschenden dem Ziel, schaltbare Quantenzustände zu realisieren, ein Stück nähergekommen.

Molekularer Schwamm für die Elektronik der Zukunft

© Dr. Florian Auras

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CO2 als nachhaltiger Rohstoff

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TU Berlin stellt Tandem-Elektrolyseur für eine Kreislaufwirtschaft mit Kohlendioxid vor

Wissenschaftler*innen der TU Berlin haben eine Kombination aus zwei Elektrolysezellen vorgestellt, die Kohlendioxid zusammen mit Wasser unter Zuhilfenahme von Strom direkt in Grundchemikalien für die chemische Industrie umwandeln kann. Dabei wird bei der ersten Elektrolyse aus Kohlendioxid zunächst Kohlenmonoxid hergestellt, was dann in der zweiten Elektrolysezelle zusammen mit Wasser Kohlenwasserstoffe bildet. Im Gegensatz zu den sonst üblicherweise verwendeten teuren Metallkatalysatoren wird hier eine mit wenigen Nickelatomen und Stickstoff dotierte Kohlenstoffelektrode genutzt, die nur einen Metallanteil von unter einem Prozent erfordert. Zusätzlich wurde von den Forscher*innen ein Diagnosesystem entwickelt, das den Zustand des Tandem-Elektrolyseurs während des Betriebs überwacht und so zu einer längeren Lebensdauer und einem besseren Verständnis der chemischen Vorgänge in den Zellen beiträgt.

Kohlendioxid aus der Luft oder direkt aus Abgasen zu entnehmen und mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen in wertvolle Chemikalien zu verwandeln – das erscheint wie der Idealweg zur Bekämpfung der Klimakrise. Der Schlüssel dazu ist die Elektrolyse. Sie kann mit Hilfe von Wasser (H2O) und Strom Kohlendioxid (CO2) zu praktisch reinem Kohlenmonoxid (CO) reduzieren, wobei gleichzeitig Sauerstoff (O2) entsteht. Kohlenmonoxid und zusätzliches Wasser können dann in einem zweiten Schritt zu nützlichen Kohlenwasserstoffen wie etwa Ethylen reagieren, die aus längeren Ketten von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen.

Reaktionsschema des Tandem-Elektrolyseurs Reaktionsschema des Tandem-Elektrolyseurs
© TU Berlin Weiterlesen

Magnetisch durch eine Prise Wasserstoff

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Änderung der Magnetisierungsdichte des nicht-van-der-Waals-2D-Materials CdTiO3 nach der Hydrierung. Rote Bereiche zeigen Verstärkung der Magnetisierung an, während blaue Bereiche entsprechende Verringerung signalisieren.

© Tom Barnowsky
Änderung der Magnetisierungsdichte des nicht-van-der-Waals-2D-Materials CdTiO3 nach der Hydrierung. Rote Bereiche zeigen Verstärkung der Magnetisierung an, während blaue Bereiche entsprechende Verringerung signalisieren.

Magnetische zweidimensionale Schichten, die aus einer oder wenigen Atomlagen bestehen, sind erst seit Kurzem bekannt und versprechen interessante Anwendungen, zum Beispiel für die Elektronik der Zukunft. Bislang jedoch gelingt es noch nicht gut genug, die magnetischen Zustände dieser Materialien gezielt zu kontrollieren. Ein deutsch-amerikanisches Forschungsteam unter der Federführung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Dresden stellt nun eine originelle Idee vor, mit der sich dieses Manko beheben ließe – und zwar indem man die 2D-Schicht mit Wasserstoff reagieren lässt. Weiterlesen

Mit CO2-verbrauchendem Bakterium Stoffe auf Erdöl-Basis ersetzen

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Erdöl steckt in den meisten Produkten unseres Alltags, zum Beispiel in Windeln und Waschmitteln. Solche Stoffe könnten künftig durch bioabbaubare Grundstoffe ersetzt werden, die ein Bakterium aus dem Rindermagen produzieren kann. Wie das funktionieren könnte, erforschen Wissenschaftler der Universität des Saarlandes gemeinsam mit Kollegen aus Forschung und Industrie in einem von der Bundesregierung geförderten Projekt.

Die Kuh als Klimaretter? Das dürfte in der öffentlichen Wahrnehmung eher nicht so gesehen werden. Im Gegenteil: Die Aufzucht von Rindern und der Verzehr von Rindfleisch gelten als Klimasünden par excellence. Und dennoch könnten die Wiederkäuer einen Anteil daran haben, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit ihrer Hilfe klima- und umweltschonende Technologien entwickeln. Weiterlesen