Leichte Werkstoffe für neue technische Anwendungen

Um die zukünftigen europäischen Herausforderungen im Leichtbau und bei der Reduzierung der Umweltverschmutzung zu bestehen, die insbesondere für das Transportwesen relevant sind, hat die EU 2012 eines ihrer größten Projekte aufgelegt: ExoMet. Im Rahmen dieses Projekts wurden erfolgreich neue, leichte Aluminium- und Magnesiumlegierungen entwickelt. Sie verfügen über verbesserte mechanische Eigenschaften durch eine erhöhte Kornfeinung und den Zusatz von Nanopartikeln bei neuen Schmelzverfahren. Die Steinbeis Advanced Risk Technologies Group ist Partner im Projekt.

Handelsübliches Reinaluminium

ExoMet wird im Rahmen des 7. Forschungsrahmenprogramms der EU gefördert und durch die Europäische Raumfahrtagentur ESA koordiniert. Im ExoMet-Konsortium sind Forschungsinstitutionen und Universitäten aus Russland und Australien sowie europäische Industrieunternehmen wie Airbus, Fiat und Volvo vertreten. Das Projekt fokussierte unterschiedliche Schwerpunkte: Untersucht wurden verschiedene Möglichkeiten der Kornfeinung durch die Zumischung von Nanopartikeln in Metallschmelzen, der Guss von Probeprofilen oder auch die Prototypenentwicklung von Komponenten.

Die ExoMet-Partner haben auch die Optimierung verschiedener Produktionsverfahren analysiert, wie beispielsweise Niederdruck- und Hochdruckguss, Sandguss, Präzisionsguss, Differenzialdruckguss, Gießwalzen, ultraschallunterstützter Guss und Scherwalzenextrusion. Die Anwendung externer Felder bei diesen Industrieverfahren ist neu und würde zu deutlichen Energieeinsparungen sowie zu weniger Ausschuss und niedrigeren Prozesskosten führen.

Das ExoMet-Projekt befindet sich aktuell im vierten und damit letzten Jahr. Die Prototypenkomponenten wurden von den am Projekt beteiligten Industrie-Endanwendern entwickelt und getestet. Dazu waren im Vorfeld vier Bereiche ausgewählt worden: Kfz-Antriebsstrang und Karosserie, Flugzeug- und Flugzeugmotorenkonstruktionen, Satelliten und Raketen sowie hochfeste Aluminium-Elektrokabel mit hoher Leitfähigkeit.

Schon heute lassen sich wesentliche Ergebnisse des Projekts vorweisen. Neue Matrixlegierungen erlauben eine effizientere Kornfeinung, das bedeutet, dass sie gegenüber konventionellen TiB-Matrixlegierungen mit weniger Zusätzen auskommen und eine höhere Produktqualität erzielen. Besonders interessant sind diese neuen Werkstoffe durch die kleineren intermetallischen Verbindungen, die bessere Oberflächenqualität und höhere Zähigkeit. Diese neuen Legierungen werden dadurch bessere technische Eigenschaften für industrielle Anwendungen besitzen. Die Aluminiumguss-Industrie wird der Hauptmarkt für diese Werkstoffe sein.

Das Projekt-Team entwickelte darüber hinaus eine kontaktlose Anlage zur Verfeinerung der Mikrostruktur und zur Durchmischung von Legierungen. Diese kontaktlose Anlagentechnologie basiert im Wesentlichen auf zwei Teilen: Der Kornfeinung von Leichtmetalllegierungen durch eine bessere Durchmischung und Kavitation ohne den Einsatz von Chemikalien sowie der kontaktlosen Verteilung von Partikeln zur Verfestigung der Leichtmetalllegierungen. Bisher existierende Verfahren zur Kornfeinung arbeiten mit einer Einweg-Ultraschalltauchsonde oder setzen zur Kornfeinung Chemikalien zu: Zuerst wird die Schmelze verunreinigt, anschließend können sich unerwünschte Agglomerate bilden. Das neue Verfahren erfordert keine chemischen Zusätze und kann, da es kontaktlos arbeitet, Kontamination vermeiden. Bei diesem Verfahren erfolgt eine intensive Durchmischung durch Ultraschallschwingungen bei gleichzeitiger Aufheizung der Schmelze.

Schließlich werden die im Projekt entstandenen Prototypen belegen, dass sich die ExoMet-Technologie nicht nur für den Labormaßstab eignet. Die Komponenten der Prototypen sind Gussteile aus Aluminium und Magnesium: ein Satellitenrahmen mit Nanopartikeln AM60+, Elektrokabel aus Aluminium mit Nanopartikeln sowie ein Sitzrahmen mit Nanopartikeln AM60+.

Die Steinbeis Advanced Risk Technologies Group übernimmt im ExoMet- Projekt die Bewertung des Gesundheits- und Arbeitsschutzes sowie der Ökobilanz und die Kosten-Nutzen-Analyse für die Lieferkette ausgewählter Komponenten aus Leichtmetall bzw. Metallmatrix-Verbundwerkstoffen. Steinbeis beriet daneben bei der Koordination des Projekts und hinsichtlich der Rechte an geistigem Eigentum. Zur Ökobilanzbewertung hat das Steinbeis-Team für eine ausgewählte Komponente die Umweltbelastung, den Ressourcenverbrauch und die Gesundheitsgefährdung der Aluminiumlegierung mit Stahl verglichen. Die Analyse zeigte, dass die Aluminiumlegierung bessere Umwelteigenschaften aufweist. Die Ökobilanz wurde durch das Folgenabschätzungsverfahren bestimmt.

Zur Analyse des Kosten-Nutzen-Verhältnisses für die Lieferkette bestimmte die Steinbeis Advanced Risk Technologies Group den Kapitalwert des Kraftstoffs für ausgewählte Industriekomponenten (Sitzrahmen und Motorkolben), die mit den neuen Legierungen produziert worden waren. Die Analyse zeigte, dass die Verwendung der neuen Werkstoffe wirtschaftliche, technologische, technische und Umweltvorteile hat.

Aufgrund der sensiblen kommerziellen Informationen werden die detaillierten technischen Berichte innerhalb des Konsortiums in der Regel geheim gehalten. Die Forschungsergebnisse des ExoMet-Projekts wurden aber inzwischen in Fachzeitschriften und Konferenzprotokollen veröffentlicht, um sie der wissenschaftlichen Gemeinschaft zugänglich zu machen. Darüber hinaus wird das Konsortium eine „Europäische Forschungs- Roadmap für Leichtmetalllegierungen und Leichtmetallbau“ erstellen. Schon heute ist das Projekt-Team überzeugt: Dank der Optimierung der Kornfeinung und der neuen Verfahren zur Herstellung besserer Matrixlegierungen trägt ExoMet umfassend zur Entwicklung neuer technischer Anwendungen bei, mit denen Gewicht und Emissionen reduziert werden können.

Professor Dr.-Ing. Aleksandar Jovanovic ist Leiter der Steinbeis-Unternehmensgruppe Advanced Risk Technologies in Stuttgart. Die Gruppe bietet ihren Kunden vielfältige Dienstleistungen auf den Gebieten Business Risk Management, Analyse und Management von technischen Risiken, Datenanalyse sowie Projektmanagement. Flor Angela Quintero ist Leiterin eines Zentrums innerhalb der Unternehmensgruppe, Gözde Kara ist wissenschaftliche Mitarbeiterin bei Steinbeis Advanced Risk Technologies.

Dr. Wim Sillekens ist Manager des ExoMet-Projekts bei der European Space Agency (ESA).

Prof. Dr.-Ing. Aleksandar Jovanovic, Flor Angela Quintero, Gözde Kara
Steinbeis Advanced Risk Technologies GmbH (Stuttgart)
aleksandar.jovanovic@stw.de

Dr. Wim Sillekens
European Space Agency (ESA) (Paris)
Wim.Sillekens@esa.int

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