„Trends der Werkstoff-Technologie“ · Einsatz von Veriflex für Morphing Aircraft, das mit adaptiven Flügeln ausgestattet ist. (Kooperation Lockheed Martin und U.S. Air Force)

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„Trends der Werkstoff-Technologie“

Tracto-Technik Innovationstag 2009

Dr. Heinz Eickenbusch13. November 2009


technology push

Steigende WerkstoffvielfaltMultifunktionswerkstoffeVerbundwerkstoffeSchicht- und Nanomaterialien

Multimaterialsysteme für verschiedeneKomponenten in einer Anwendung Substitution konventioneller Werkstoffedurch kostengünstigere WerkstoffeNachhaltige u. biokompatible Materialien Energieeffiziente Werkstoffe (z. B. Leichtbau)Individuelle Materialien

Zwei Drittel aller Innovationen gehen auf neue Werkstoffentwicklungen zurück!

Trends der Werkstofftechnologien

Werkstoffe demand pull


Beispiele für Werkstofftrends

1. Metalle und Polymere• Höchstfeste Stähle (AHSS) und „superbiegsame“ Stahlsorten• Metallische Gläser• Faserverstärkte Polymere, Metalle und Keramiken• Metall- und Polymerschäume

2. Nanomaterialien• Aerogele• Kohlenstoff-Nanoröhren• Graphene• Nanocellulose

3. „Intelligente“ Werkstoffe• Formgedächtnispolymere• Auxetische Materialien• Selbstheilende Materialien


1. Metalle und Polymere

Werkstofftrends


AAHSS

Quelle: voestalpine Stahl GmbH

Höchstfeste Stähle


„Bulk metallic glasses“ (BMG), amorphe Metalle, Flüssigmetalle

• giessbar bzw. Spritzguss wie bei Kunststoffen

• härter und elastischer als konventionelle Legierungen

(z. B. 3 x besser als Titan-Legierungen)

• niedrige Schmelzpunkte

• sehr widerstandsfähig gegen Korrosion

• besondere magnetische Eigenschaften

• Verbundwerkstoffe (neuer Ansatz)

Metallische Gläser


Erste Produkte und Anwendungsmöglichkeiten

stark beanspruchte mechanische Bauteile:

Quelle; Liquidmetal®Technologies

Elektronikgehäuse Medizinische Werkzeuge Maschinenteile

Militärische GeräteSportartikel Schmuck Raumfahrt

Scharniere,......


Thermoplaste (Lineare oder verzweigte Kettenmoleküle, unvernetzt)

PA

PP

PE

Verstärkung

Glasfasern

Kohlefasern

Naturfasern

Nanofasern

Langfaser- bzw. Endlosfaserverbundwerkstoffe

Faserverstärkte Polymere


CFK-Motoradfelge

CFK-Dach

Erste Produkte aus Faserverstärkten Polymeren

CFK-Bauteile im A 380


Marktentwicklung von Faserverstärkten Polymeren


Faserverstärkte Metalle und Keramiken

Doppel-T-Profile Mg-MC (links, 575g) und Stahl (1786g) Quelle: Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden

CMC-Leichtbau-Kolbenstange und faserkeramische Halbzeuge mit integrativem Gewindeinsert(Quelle: ILK der TU Dresden/ThyssenKrupp Bilstein)

3D gewebte Schalen (Quelle: Shape 3 Innovative Textiltechnik GmbH)


Offenzellige Metallschäume aus Edelstahl

Al-Schaum Sandwichmaterial vor und nach dem Schäumen

ROHACELL® von Evonik

ein hochfester Polymethacrylimid-Hartschaumstoff

eingesetzt in Sandwichkonstruktionen

meist mit kohlefaserverstärkten Deckschichten

Quelle: FhG-IFAM Bremen

Metall- und Polymerschäume


2. Nanomaterialien

Werkstofftrends


„Neue“ Technische Physikdurch Änderung von • Farbe, Transparenz• Härte• Magnetismus• elektrischer Leitfähigkeit

„Neue“ Chemieprozessedurch Änderung von • Schmelz- und Siedepunkt• chemischer Reaktivität• katalytischer Ausbeute

„Neue“ Bioanwendungendurch Kombination mit• Selbstorganisation• Reparaturfähigkeit• Adaptionsfähigkeit• Erkennungsfähigkeit

Vergrößerte Oberfläche

Quantenmechanisches Verhalten

Molekulare Erkennung

Drei wesentliche Eigenschaftsänderungen in der Nanowelt


Nanowerkstoffe aus Aerogelen

hochporöse Materialien (hohe innere Oberfläche: 600 - 1000 m2/g)

leichtester Feststoff (Dichte: 0,003 - 0,35 g/cm3)

niedrige Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger Lichtdurchlässigkeit

niedrige Dielektrizitätskonstante Licht

Schall

Wärme

Aerogel


Katalyse

Energie Sensoren

Konstruktion

IsolierungElektronik

Schockabsorber

Additive

Umwelt

Life Sciences

Anwendungspotential Aerogele


Erste Produkte und Anwendungen von Aerogelen


Nanowerkstoffe aus Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT)

Herausragende elektronische und mechanische Eigenschaften:

Steifigkeit: 2000 x DiamantDruckfestigkeit: 2 x KevlarZugfestigkeit: 10 x Stahlhohe elektrische Leitfähigkeit


Anwendungen von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT)

Derzeitige Anwendungen als CNT-Polymerkompositein Karosserieteilen und Gehäusen zur elektrostatischen Lackierung

in Benzinschläuchen und –filtern zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen

in Elektroden zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit

in Sportgeräten wie Tennisschläger von Völkl und Basballschlägervon Easton zur mechanischen Verstärkung

Anwendungspotenzial:DisplaysElektronikEnergietechnikAktuatorenMedizinVerbundwerkstoffe


Großtechnische Produktion von Kohlenstoff-Nanoröhren


Nanowerkstoffe aus Graphenen

Zweidimensionale einatomige Graphitschichten (1 nm Monolage)

höchste Festigkeitsehr gute elektrische und thermische Leitfähigkeitz. B. hohe Ladungsträger-beweglichkeit (ca. 106 m/sec)ungewöhnliche elektronische Eigenschaften z. B. Quanteneffekte

Up-Scaling Herstellung: a) Reinterkalation von exfoliertem Graphen oder b) chemisches Abscheideverfahren


Anwendungspotential von Graphenen

Graphen-Bauelement (FET) zwischen zwei Transistoren, Quelle: Universität Tübingen

Potenzielles Material für die Post-Silizium-Zeit

Elektronik mit höherer Schaltgeschwindigkeit- Hochfrequenz-Bauteile- Spintronik (schalten mit Spin des Elektrons)- Ein-Elektron-Transistor (Quantencomputer)

Solarzellen: gut leitende und transparente Beschichtung

LED-Displays: Ersatz für ITO (Indiumzinnoxid)

Analytik: Gassensoren, Gasfilter, Elektronenmikroskopie

Nanocomposite

Graphen-Polystyrol compositeQuelle: S. Stankovic et al., Nature 442, 282-286 (20 July 2006)


Nanocellulose

Holz Cellulose-Nanofasern (10 - 40 nm)

• als Füllstoff für Polymer-Nanokomposite

• als poröses Gewebe (MFC)/festes Papier

• 7x so fest und 3x so elastisch wie herkömmliches Papier

• fester als Gusseisen und Knochen

Anwendungen: Verpackungsmaterial, Filter, Membrane, Auto- und Flugzeugteile,

Implantate, Elektronik, u. a.


3. „Intelligente“ Werkstoffe

Werkstofftrends


Smart Materials

Response

Stimulus

Electrical Magnetic Optical Thermal Mechanical Chemical

Electrical

Magneto-electronics spin-electronics, spintronics

Electro-chromic, electroluminescent, electro-optic, piezo-chromic,

Thermo-electric (Peltier)

Piezo-electric, electro-strictive electro-rheological electro-kinetic

Electrolysis, electro-chemical, bio-electric, electro-migration

Magnetic

Magneto-electronics, spin-electronics, spintronics, Hall effect

Magneto-optic, piezo-chromic Magneto-thermal

Magneto-strictive, magneto-rheological

Nuclear-magnetic-resonance, magneto-chemical

Optical Photo-conductive Opto-magnetic Optical bi-stability Photo-thermic Opto-mechanical, photo-acoustic

Photo-chemical, photosynthesis, photo-catalyst

Thermal Thermo-electric, super-conductivity, radiometer effect, pyro-electric

Curie point Thermo-chromic, thermo-luminescent Shape-memory

Mechanical Piezo-electric, electro-strictive Magneto-strictive Mechano-chromic,

rheo-chromic

Rheopexic, auxetic, shear-thinning, dilatants, pseudo-plastic

Chemical Magneto-chemicalColor-change, litmus, luminescence

Catalysis

„Intelligente“ Werkstoffe


Shape Memory Polymers (SMP)

Formgedächtnispolymere, z. B. auf Polyurethan-Basis

Anwendungspotential

Automobil

Luft- und Raumfahrt

Textilien

Medizin

Industrie


SMP-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt

© Cornerstone Research Group

Einsatz von Veriflex für Morphing Aircraft, das mit adaptiven Flügeln ausgestattet ist.

(Kooperation Lockheed Martin und U.S. Air Force)

Aktuatoren für Weltraumanwendungen Positionierung von Solarsegeln, Antennen und Reflektorsystemen (Composite Technology Development Inc.)


SMP-Anwendungen in der Textilindustrie


Ski-Jacke mit Diaplex-Membran

Einsatz von SMPs (Polyurethane)in Klimamembranen:

- Diaplex von Mitsubishi

- Dermizax von Toray

Aktuelle Forschung:

SMP-Fasern mit Temperatur-abhängiger Permeabilität © Tchibo

DiAPLEX-Membran bei tiefer Temperatur

DiAPLEX-Membran bei hoher Temperatur


SMP-Anwendungen in der Medizin - Nahtmaterialien

Nahtmaterialien für minimalinvasive Operationen(z. B. Caprolactone)

- Ziehen sich beim Übergang von RT auf Körpertemperatur zu

Prof. Lendlein & Prof. LangerMnemoScience, Aachen

Lendlein, Science, 296, 1673, 2002


SMP-Anwendungen in der Medizin

Stents aus SMPs

Weiten sich beim Übergang von RT auf Körpertemperatur auf

Haben Drug Delivery Funktion

Sind degradierbar

© Prof. Wagner, TU Berlin

MnemoScience, Aachen

Chirurgische Instrumente aus SMPs

Laseraktiviertes SMP für die Entfernung von Blutgerinseln

Duncan Maitland, Lawrence LivermoreNational Laboratory

Small, Optical Express, 13, 8204, 2005


Befestigungselemente aus SMP

Sharp

Montage/Demontage

Schrauben, Spanndorne für Hohlkörper mit kompliziertenFormen und variabler Größe durch Temperaturänderung

„Easy-Recycling-Bauweise“ (z. B. Autobauteile)

z. B. für automatische Demontage von Bildschirmen


Auxetische Materialien

Porengröße kann durch Zugspannung eingestellt werden:

Erhöhte Dehn-, Schub- und Torsionsfestigkeit

Erhöhter Eindrückwiderstand, Bruchzähigkeit und

Schwingungsdämpfung

Herstellung von gegenläufig gekrümmten Oberflächen

Funktionsweise: Bei Zugbelastung dehnt es sich auch quer zur Zugrichtung aus.

Quelle: Auxetic Technologies


Erste Produkte und Anwendungen

Technische Kunststoffe und Textilien (Gurte, Bänder, Reifen, ....)

Schuss- und explosionssichere Kleidung

Filter mit einstellbarer Porengröße

Verbandsmaterial, das abhängig von Schwellzustand Medikamente abgibt.

ZetixTM ExplosionsicheresGewebe auf Basis von Auxetischen Materialien

Oben: normaler Zustand

Unten: gedehnter Zustand

Quelle: Auxetix Ltd.

Optimierung der Abriebfestigkeit und Rissbeständigkeit von Reifen


Selbstheilende Materialien

Mikrokapsel-Konzept Lackkratzer, Korrosionsrisse, ......

Quelle: Beckman Institute der University of Illinois

Erste Produkte von Autonomic Materials, Inc., Champaign, IL


a

b

aa

bb

Selbstheilende Materialien

3D mikrovaskuläres Netzwerk-Konzept

Quelle: Toohey, K.S., et al., Nature Materials, 6, 581-585, 2007

Hohl-Glasfasern in Faserverbundwerkstoffen

Quelle:University of Bristol


Selbstheilende Lacke

Temperaturbehandlung oder

Sonneneinstrahlung„2K-PUR-Clear Coat“


Selbstheilende Elastomere

Gummi, das sich, in zwei Teile zerschnitten, ohne Klebstoff oder Hitze wieder zu einem stabilen Ganzen zusammenfügen kann.

Laboratoire Matière molle et chimie (CNRS-ESPCI)


Herausforderungen bei Werkstoffentwicklungen

FahrzeugbauMaschinenbau

Chemische Industrie

Elektrotechnik/Elektronik

Informations- und Kommunikations-technik

Energieversorgung

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„Trends der Werkstoff-Technologie“ · Einsatz von Veriflex für Morphing Aircraft, das mit adaptiven Flügeln ausgestattet ist. (Kooperation Lockheed Martin und U.S. Air Force)