Composite-Werkstoffe eröffnen neue Konzepte für klimafreundliche Luftfahrtindustrie

Carbonfasern von Teijin Carbon aus deutscher Produktion

Carbonfasern von Teijin Carbon aus deutscher
Produktion

Laut DLR-Prognose steigen die Passagierzahlen in der kommerziellen Luftfahrt von vier Milliarden in 2016 auf 9,5 Milliarden bis 2040 – und mit ihnen der CO2-Ausstoß. Der Bedarf an klimafreundlichen Flugzeugen war nie dringender. Neuartige Composite-Werkstoffe sind hierfür der Schlüssel.

Die globale Luftfahrt trägt derzeit etwa drei Prozent zum weltweiten CO2-Ausstoß bei. Dass dieser Wert deutlich steigen wird, liegt auf der Hand. Das stellt die Branche im Sinne des Klimaschutzes vor Handlungsbedarf. Dies hat auch die Politik erkannt und verschiedene Rahmenbedingungen gesetzt. Das Klimaschutzpaket „Fit for 55“ der Europäischen Union gibt beispielweise vor, die Treibhausgase in der EU bis 2030 um mindestens 55 Prozent gegenüber dem Ausstoß 1990 zu reduzieren und Europa bis 2050 klimaneutral zu gestalten. Für die Luftfahrt sollen Instrumente wie eine Beimischquote für Alternativkraftstoffe, eine Kerosinsteuer und eine Verschärfung des Emissionshandels die CO2-Reduktion vorantreiben. Weiterlesen

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

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

Helle, stabile und leicht zu recycelnde Beleuchtung

Eine kostengünstige und einfach herzustellende Beleuchtungstechnik kann mit lichtemittierenden elektrochemischen Zellen erfolgen. Bei solchen Zellen handelt es sich um elektronische und ionische Dünnschichtbauteile, die nach Anlegen einer niedrigen Spannung Licht erzeugen. Forschende haben jetzt mit Hilfe einer umfangreichen Datenanalyse aus Kupfer-Komplexen erstklassige elektrochemische Zellen geschaffen, die blaues und weißes Licht emittieren.

Lichtemittierende elektrochemische Zellen, im Englischen auch light-emitting electrochemical cells (LEC) genannt, sind die einfachsten und kostengünstigsten Dünnschicht-Beleuchtungsvorrichtungen, die es bisher gibt. Sie bestehen aus einer einzigen aktiven Schicht. Anwendung finden sie beispielsweise für so genannte Elektrolumineszenzfarben und -aufkleber. Weiterlesen

Technologiespezifische Rohstoffe zeigen in der Ökobilanz sehr kurze Nutzungsdauer

Wie lange werden metallische und mineralische Rohstoffe im Wirtschaftskreislauf genutzt – und wann endet ihre Verwendbarkeit? Diese Fragen zur Ökobilanz von 61 Metallen beantworten Forschende aus Bordeaux, Augsburg und Bayreuth. In einer mehrjährigen Forschungskooperation wurden veröffentlichte und auch selbst erfasste Daten zu 61 Metallen analysiert. Wichtigste Erkenntnis: gerade die technologiekritischen Rohstoffe haben eine sehr kurze Nutzungsdauer.

 Verteilung von Metallverlusten je Phase im Nutzungskreislauf und durchschnittliche Lebensdauer von Metallen in der Wirtschaft. © Nature Sustainability

Verteilung von Metallverlusten je Phase im Nutzungskreislauf und durchschnittliche Lebensdauer von Metallen in der Wirtschaft. © Nature Sustainability

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Thermoplast Kautschuk Coextrusion – Materialkombinationen für einen einstufigen Prozess

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

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

Selbstorganisation mit Ecken und Kanten – Polyeder bringen Chancen für neue Materialien

Bildquelle: Leibniz Institut für Neue Materialien

Bildquelle: Leibniz Institut für Neue Materialien

In vielen Prozessen der Natur und der Industrie bilden kleine Objekte geordnete Schichten zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern. Gängige Modelle beschreiben die Objekte als Kugeln mit homogenen Oberflächen. Oft sind diese aber nicht kugelförmig, sondern haben abgeflachte Seiten – zum Beispiel, wenn sie aus Metall bestehen. Wissenschaftler des INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken und der Universität Sydney konnten nun zeigen, dass solche polyedrischen Partikel ganz andere Strukturen bilden als kugelförmige Partikel. Das verändert auch die Eigenschaften von Materialien, die daraus entstehen – und womöglich ihr Recycling. Weiterlesen

Hochfeste Kupferwerkstoffe für den Einsatz in wasserstoffhaltigen Atmosphären

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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2D-Materialien für die Datenverarbeitung der nächsten Generation

„More Moore“ und „More than Moore“: So bezeichnet werden zwei der wichtigsten Forschungsrichtungen der Halbleiterindustrie. More Moore (mehr Moore) ist ein Ausdruck für die Bemühungen, das „Mooresche Gesetz“ zu verlängern, also das kontinuierliche Streben nach einer Verkleinerung der Transistoren und nach der Integration von mehr, kleineren und schnelleren Transistoren auf jedem Chip des nächsten Produktionsknotens. More than Moore (mehr als Moore) deutet stattdessen auf die Kombination von digitalen und nicht-digitalen Funktionen auf demselben Chip hin, ein Trend, der auch als „CMOS+X“ bekannt ist und der mit dem Aufkommen der 5G-Konnektivität und Anwendungen wie dem Internet der Dinge und dem autonomen Fahren immer wichtiger wird.

Für diese beiden Forschungsrichtungen sind 2D-Materialien eine äußerst vielversprechende Plattform. Ihre ultimative Dünnheit macht sie beispielsweise zu erstklassigen Kandidaten, um Silizium als Kanalmaterial für Nanosheet-Transistoren in zukünftigen Technologieknoten zu ersetzen, was eine fortgesetzte Skalierung der Dimensionen ermöglichen würde. Darüber hinaus lassen sich Bauelemente, die auf 2D-Materialien basieren, prinzipiell gut in die Standard-CMOS-Technologie integrieren und können daher verwendet werden, um die Fähigkeiten von Siliziumchips um zusätzliche Funktionen zu erweitern, wie zum Beispiel bei Sensoren, Photonik oder memristiven Bauelementen für neuromorphes Computing. Dazu haben die RWTH-Wissenschaftler Max C. Lemme und Christoph Stampfer mit Deji Akinwande (University of Texas, Austin, USA) und Cedric Huyghebaert (IMEC, Belgien) nun einen Kommentar in Nature Communications veröffentlicht. Weiterlesen

Naturfaser-soft-touch-Oberflächen

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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