Prof. Dr.-Ing. Norbert Jost

Innovative Ingenieur-Werkstoffe

1. Einleitung

Immer häufiger liefern optimierte oder neuentwickelte Werkstoffe den Schlüssel zum Fortschritt der Technik. Darüber hinaus bestimmen sie ganz wesentlich die Qualität und das Kosten-/Nutzenverhältnis technischer Produkte. In Einzelfällen hat dies bereits bis zu der Etablierung ganz neuer Technologien geführt. Welchen Stellenwert die Entwicklung neuer Werkstoffe hat, zeigen Beispiele wie Hochtemperaturwerkstoffe aus Siliziumnitrid, die den Wirkungsgrad von Energieanlagen entscheidend verbessern könnten. Oder auch die Superleichtmetalle auf Aluminium- oder Magnesium-Basis mit Lithium als dem leichtesten metallischen Legierungselement überhaupt, die teilweise bereits kurz vor einem großtechnischen Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie stehen. Weitere innovative Beispiele sind die Formgedächtnislegierungen, die gleichzeitig als Sensor und Stellglied eingesetzt werden und rein temperaturgesteuert Bewegungen ausführen und/oder Kräfte übertragen können. Biologisch abbaubare Polymere könnten auf ökologischste Weise mithelfen, unsere Müllprobleme zu reduzieren und mit supraleitenden Werkstoffen könnte vielleicht einmal der elektrische Strom verlustfrei und wirtschaftlich über weite Strecken transportiert werden. Diese wenigen Beispiele geben dabei nur einen kleinen Ausschnitt aus dem großen Potential der Chancen mit neuen innovativen Werkstoffen wieder. Aber sie machen auch deutlich, daß gerade heute eine große ökologische und soziale Verantwortung mit der Werkstofforschung verbunden ist. Mehrere „werkstoffbeeinflußte“ Strukturkrisen in Deutschland (Ruhrgebiet, Saarland) haben gezeigt, daß ein erfolgreicher Strukturwandel auch und insbesondere durch die Entwicklung und Produktion neuer, raffinierter Werkstoffe und die dazugehörigen Fertigungstechnologien außerordentlich positiv unterstützt werden kann /1/. Nicht umsonst gehören „Neue Werkstoffe“ zu den wichtigsten Schlüsseltechnologien der nächsten Jahrzehnte (Bild 1), denn gerade sie öffnen die Tore zu den Technologien der Zukunft. Gemäß verschiedener Studien des BMBF (Bundesministerium für Bildung und Wissenschaft, Forschung und Technologie) und der Fraunhofer Gesellschaft, wird der Anwendung neuer leistungsfähiger Materialien, insbesondere in den Feldern Informationstechnik, Fertigungstechnik und Medizintechnik herausragende Bedeutung eingeräumt. Dabei wird die Entwicklung ganz neuer Materialien als gleichrangig mit der Ausschöpfung der noch vorhandenen, erheblichen Potentiale bekannter Werkstoffe eingestuft /2-4/.

[Abbildung in Downloaddatei enthalten]

Bild 1: Zukunftstechnologien im Bereich Maschinenbau

Weitere Aspekte, die in heutiger Zeit immer mehr in den Blickpunkt rücken, sind die mit der Herstellung und Verarbeitung von Werkstoffen verbundenen umweltrelevanten Potentiale. So werden beispielsweise mit dem Einsatz extrem belastbarer und langlebiger Werkstoffe in der Kraftwerkstechnik oder im Motoren- und Turbinenbau durch höhere Wirkungsgrade Rohstoffe als Energieträger geschont und der spezifische Energieverbrauch ebenso wie die Schadstoffemissionen erheblich reduziert. Zusammen mit der Ausnutzung von Leichtbaupotentialen und einem optimierten Design führt dies zu einer höheren Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit. Damit werden die recyclinggerechte Werkstoffentwicklung und -auswahl zu wichtigen Elementen integrierter Umweltschutztechniken /5, 6/.

Im folgenden soll nun versucht werden, einen kurzen und möglichst allgemeinverständlichen Einblick in Beispiele für innovative Werkstoffentwicklungen zu geben. Dabei soll nach einer kurzen Abgrenzung des Gebietes ganz bewußt nicht nur auf „Highlights“ der Werkstofforschung wie beispielsweise Supraleiter und Werkstoffe mit Formgedächtnis eingegangen, sondern die Betrachtung u.a. auf die sogenannten Massenwerkstoffe wie z.B. die Stähle, gelenkt werden. Gerade in diesen Bereichen hat die Werkstoffentwicklung der letzten Jahre - leider manchmal etwas weniger beachtet - zu ganz bemerkenswerten Ergebnissen geführt. Es soll auch nicht unbedingt immer der aktuellste Stand der Forschung vorgestellt werden. Im Sinne eines umfassenden Verständnisses erscheint es oft wichtiger, auch ein wenig auf die historische Entwicklung einzugehen. Gleichwohl kann und soll mit der vorliegenden Arbeit nicht der Anspruch der Vollständigkeit erfüllt werden. Vielmehr sollen mit den hier beschriebenen Werkstoffentwicklungen mögliche Trends für die Technik aufgezeigt und vielleicht auch hier und da entsprechende Anregungen für neue Einsatzgebiete gegeben werden.

2. Die Werkstofftechnik als Teilgebiet des Maschinenbaus

Die Werkstoffkunde und insbesondere das Teilgebiet der Werkstofftechnik beschäftigen sich mit festen Stoffen, die für die unterschiedlichsten Konstruktionen geeignet sein sollen. Dabei sind diese Werkstoffe den Menschen für die vielfältigsten Gebiete nützlich; so beispielsweise für den Bau von Maschinen, Geräten und Gebäuden, zur Realisierung von Kunstobjekten bis hin zum Ersatz von Körperteilen als Implantate.

Im Vordergrund steht dabei als erste Forderung für den Werkstoff immer die technisch bestmögliche Ausnutzung seiner Eigenschaften. Daneben muß der Werkstoff aber auch fertigungstechnisch bearbeitbar sein, d.h. er muß sich durch Gießen, plastisches Umformen, Sintern oder Zerspanen in die gewünschte Form von Halbzeugen oder Bauteilen bringen lassen. Dazu gehört auch die Eignung für bestimmte Fügeverfahren wie Schweißen, Löten oder Kleben, mit denen mehrere Teile wiederum zu größeren und in der Regel komplexeren Konstruktionen verbunden werden. Eine weitere Forderung, die gerade in jüngster Zeit immer mehr zum Tragen kommt, ist die Wirtschaftlichkeit des Werkstoffes. Ein Werkstoff kann bezüglich seines Eigenschaftsprofils und seiner Verarbeitbarkeit zwar überaus positiv erscheinen, doch wird sein industrieller Einsatz durch einen zu hohen Preis enorm eingeschränkt. Der zu hohe Preis kann sich dabei sowohl auf die Herstellung des Werkstoffes als auch auf eine zu aufwendige und damit teure Verarbeitung beziehen.

Diese Zusammenhänge werden auch mit den Bildern 2 und 3 verdeutlicht und vertieft. In Bild 2 sind zunächst einige Wechselwirkungen zwischen der Werkstofftechnik und den wichtigen Teilgebieten des Maschinenbaus - „Konstruktion“ und „Fertigung“ - dargestellt. Der Werkstoff wird charakterisiert durch seine technischen Grundeigenschaften und seine fertigungsbedingten Eigenschaften. Von der Konstruktionsseite müssen zusätzlich spezifische Gebrauchseigenschaften und natürlich die Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden. In der Konstruktion selbst wird dann im wesentlichen die Funktion und die Beanspruchung festgelegt. Dabei finden dann zusätzlich noch Informationen bzw. Daten aus der Fertigung, wie z.B. die Herstellbarkeit und die Fertigungskosten Beachtung. Für die Fertigung sind natürlich die Fertigungseigenschaften des Werkstoffes von besonderem Interesse. Hierbei ist jedoch eine Rückkoppelung notwendig, da sich bei vielen Werkstoffen fertigungsbedingt deren Eigenschaften ändern können, teilweise sogar sollen.

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