Metalle reizen ihr Innovationspotenzial weiter aus

Im Bereich der Stähle stehen höherfeste und ultrahochfeste Feinblech-Stahlsorten im Fokus der letzten Jahre. Auch für Getriebebauteile wurden leistungsfähigere Einsatzstähle und bainitische Stähle entwickelt, die sich mit ihrer Festigkeit besonders hervorheben. Mit diesen Entwicklungen konnten entscheidende Schritte in Richtung dünnerer Bleche sowie kleinerer Bauteile für Motor, Antriebsstrang und Lenkung verwirklicht werden.

Eine neue Entwicklung ist der Einsatz von Stahlkolben in Hochleistungsdieselmotoren. Sie fallen kleiner und auch leichter aus, zudem kann die Verbrennungsleistung im Motor aufgrund der größeren Temperaturbelastbarkeit von Stahl erhöht werden. Das führt zu höheren Leistungen des Motors und/oder weniger Dieselverbrauch. Im Zentrum steht die Leistungsfähigkeit der Stahlsorten, die weiter verbessert werden soll.

Untersuchungen laufen zur Reduzierung der Dichte des Stahlwerkstoffes durch neuartige Legierungskonzepte. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Simulations- und Modellierungswerkzeugen, um Stähle bereits am Computer hinsichtlich Verarbeitungs- und Einsatzeigenschaften designen zu können. Dann gibt es einen Trend zu Multi-Material-Leichtbau-Komponenten, in denen Stahl eine wichtige Rolle spielt.

Der Umsatz der Aluminiumindustrie in Deutschland beträgt etwa 15 Milliarden Euro pro Jahr. Dabei gilt die Herstellung als besonders energieintensiv und profitiert vom Preisrückgang beim Erdöl. Auch Aluminiumlegierungen besitzen eine relativ niedrige Dichte. Sie beträgt 2,7 gcm³, der Vergleichswert für Stahl liegt immerhin bei 7,9 gcm³. Zudem bildet sich auf dem Aluminium als einem besonders unedlem Metall eine matte Haut aus Aluminiumoxid, die den Werkstoff besonders korrosionsfest macht.

Hinzu kommt die leichte Verformbarkeit; Aluminiumfolien demonstrieren dies in herausragender Weise. Es kann durch Schmieden, Strangpressen und Ringwalzen hervorragend verarbeitet werden. Neuere Entwicklungstrends zielen auf den Einsatz von metallischen Werkstoffen mit ebenfalls geringer Dichte wie Magnesium und Titan ab.

Auch hier geht es primär um die Gewichtsreduktion von Fahrzeugen. Für die Luft- und Raumfahrtindustrie wurde eine neue Generation von Aluminiumlegierungen entwickelt. Dieser Werkstoff besitzt eine Dichte von 2,5 bis 2,6 gcm³, ein hohes spezifisches Elastizitätsmodul sowie exzellente Ermüdungseigenschaften.

Die Herstellung dieser Werkstoffe ist im Vergleich zu konventionellen Aluminiumlegierungen noch kostenintensiv, da aufgrund der hohen Reaktivität von Lithium mit Luft und Feuchtigkeit spezielle Herstellungsverfahren notwendig sind. Der Anteil von Aluminium soll im Automobil von 50 Kilogramm 1990 über 140 Kilogramm im Jahr 2012 auf 160 bis 180 Kilogramm im Jahr 2020 steigen, so die Aussagen der European Aluminium Association.

Aktuell beschäftigen sich profilierte deutsche Chemiker wie Professor Klaus Müllen, Direktor des Max-Planck-Institutes für Polymerforschung in Mainz, mit der Herstellung von Graphenen. Das sind Stoffe auf einer Kohlenstoffbasis mit einer Zugfestigkeit von 1,25×1011 Pa. Dabei handelt es sich um den höchsten je ermittelten Wert, der rund 125-mal höher ausfällt als der entsprechende Vergleichswert beim Stahl.

Weitere neue Entwicklungen bei Metallen liefert das Unternehmen Heraus Holding aus Hanau. Die Hessen wollen Pulver aus Edelmetalllegierungen für den 3D-Druck liefern. Eine Entwicklung, die auch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit dem Förderprogramm „Additive Fertigung (ProMat_3D)“ unterstützt.

Zudem gibt es vielfältige Nischenanwendungen von Werkstoffen mit besonderen Eigenschaften, die einmal eine enorme technische Bedeutung erlangen könnten wie magnetokalorische Materialen sowie Formgedächtnislegierungen. Auch sollten alle Materialien im Sinne einer geschlossenen Kreislaufführung recycelbar sein. Unter dem Strich bleibt: Es geht häufig um eine Reduzierung der Dichte bei einem Erhalt der Eigenschaften wie zum Beispiel Festigkeit. aru

Ressourcenschonung im Trend

• Im Automobilbau herrscht ein Wettbewerb zwischen den Materialien Aluminium, Stahl und Kunststoff.
• Composites sind bereits heute auf vielen unterschiedlichen Gebieten gefragt.
• Es gibt einen Trend zu Multi-Material-Leichtbau-Komponenten, in denen Stahl eine wichtige Rolle spielt.
• Kunststoffe bleiben aus Gründen der Ressourcenschonung in vielen Branchen der Werkstoff der Wahl.