WERKSTOFFE MIT ZUKUNFT – ZUKUNFT MIT WERKSTOFFEN Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Hahnstraße 70 60528 Frankfurt Telefon: +49-69-75306-750 Telefax: +49-69-75306-733 E-Mail: [email protected] Internet: http://www.dgm.de Forschungsbedarf zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit Werkstoffe mit Zukunft – Zukunft mit Werkstoffen Forschungsbedarf zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit 5 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Impressum Vorwort HERAUSGEBER: Liebe Leserin, lieber Leser, Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. (DGM) ob Elektroauto oder Touchscreen-Handy, Leichtbau-Airbus oder Bio-Implantat: Ohne neue Werkstoffe und Ma- Hahnstraße 70 terialien geht heute gar nichts mehr. Aktuellen Studien zufolge sind auf deren Entwicklung rund 70 Prozent 60528 Frankfurt am Main aller Innovationen zurückzuführen. In Deutschland erzielen material- und werkstoffbasierte Branchen einen Telefon: +49 (0)69 75306-750 | Telefax: +49 (0)69 75306-733 Umsatz von rund einer Billion Euro im Jahr – und sichern auf diese Weise fünf Millionen Arbeitsplätze. [email protected] | www.dgm.de Als größte Fachgesellschaft für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Europa sorgt die DGM seit fast VORSITZENDER: 100 Jahren dafür, den Innovationsbedarf in den Zukunftsfeldern Mobilität, Kommunikation, Energie, Ge- Prof. Dr.-Ing Jürgen Hirsch sundheit, Sicherheit und Umwelt zu eruieren, diese Potenziale wissenschaftlich auszuloten und die neuesten Forschungsergebnisse für die Industrie – und damit für den Endverbraucher – nutzbar zu machen. Zentrale GESCHÄFTSFÜHRENDES VORSTANDSMITGLIED: Organe für diese Arbeit sind die rund 40 Fach- und Gemeinschaftsausschüsse der DGM mit ihren etwa 70 Dr.-Ing. Frank O.R. Fischer Arbeitskreisen: T +49 (0)69 75306-756 [email protected] In ihnen treffen sich die Koryphäen der Branche aus Wissenschaft und Industrie, um Netzwerke auch zu anderen Arbeitskreisen zu bilden, den Nachwuchs zu fördern und auf diese Weise mit neuen Ideen hochmotiviert IDEE UND KONZEPT: an der Zukunft des Wirtschaftsstandorts Deutschland – und damit nicht zuletzt an der Zukunft unserer Gesell- Dr.-Ing. Frank O.R. Fischer schaft – „mitzustricken“. Dr. Thomas Köster In den Fach- und Gemeinschaftsausschüssen der DGM entstand auch diese Expertenbroschüre. In knapper REDAKTION: Form stellt sie die Innovationskraft von Werkstoffen und die Verfahren ihrer Entwicklung, Produktion und Qua- Dr. Thomas Köster litätsprüfung vor. Sie analysiert ihre Bedeutung für die Schlüsselthemen der nächsten Jahrzehnte, eruiert neue Einsatzgebiete – und stellt dar, wo die Herausforderungen der Zukunft liegen. Dabei wird deutlich, dass ohne LAYOUT UND UMSETZUNG: die Fach- und Gemeinschaftsausschüsse der DGM mit ihren ehrenamtlich agierenden Leitern heute im Bereich Sarah Hagemann der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MatWerk) eigentlich kaum etwas geht. DRUCK: In diesem Sinne wünschen wir Ihnen eine spannende und erkenntnisreiche Lektüre. WARLICH DRUCK MECKENHEIM GMBH Geschäftsführer: Dipl.-Ing. Stefan Warlich Industriepark Kottenforst Am Hambuch 5 53340 Meckenheim Tel.: +49 (0)2225 9216-0 (Zentrale) | Fax: +49 (0)2225 9216-33 [email protected] Dr. Hilmar R. Müller Univ.-Prof. Dr. Klaus D. Jandt REDAKTIONSSCHLUSS: Wieland-Werke, UlmFriedrich-Schiller-Universität, Jena 20. August 2015 Sprecher der DGM-Fachausschüsse (Industrie)Sprecher der DGM-Fachausschüsse (Wissenschaft) 6 7 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Inhaltsverzeichnis Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. 8 Werkstoffe und High-Tech-Megatrends................................................................................. 10 Verfahren und Methoden........................................................................................................ 47 Megatrend „Mobilität“........................................................................................................... 11 Additive Fertigung.................................................................................................................. 49 Megatrends „Kommunikation“ und „Sicherheit“................................................................... 13 Funktionalisierung von Oberflächen........................................................................................ 51 Megatrend „Energie“............................................................................................................. 15 Materialographie.................................................................................................................... 53 Megatrend „Gesundheit“....................................................................................................... 17 Mechanische Oberflächenbehandlung.................................................................................... 55 Megatrend „Umwelt und Klima“............................................................................................ 19 Strahllinien............................................................................................................................. 57 Stranggießen.......................................................................................................................... 59 Werkstoffe und Materialien.................................................................................................... 21 Strangpressen......................................................................................................................... 61 Aluminium............................................................................................................................. 23 Texturen................................................................................................................................. 63 Bioinspirierte Materialen......................................................................................................... 25 Thermodynamik der Werkstoffe.............................................................................................. 65 Biomaterialien........................................................................................................................ 27 Feuerfestwerkstoffe................................................................................................................ 29 Hochleistungskeramik............................................................................................................. 31 Hybride Werkstoffe und Strukturen........................................................................................ 33 Intermetallische Phasen.......................................................................................................... 35 Magnesium............................................................................................................................ 37 Metallische Verbundwerkstoffe............................................................................................... 39 Titan....................................................................................................................................... 41 Werkstoffe der Energietechnik................................................................................................ 43 Zellulare Werkstoffe................................................................................................................ 45 Ausblick.................................................................................................................................... 67 9 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Werkstoffe und High-Tech-Megatrends Um das Leben jedes Einzelnen auf ökologische und nachhaltige Weise leichter, schöner und effizienter – und dabei unsere Gesellschaft als Ganzes reicher – zu machen, müssen Forschung und Industrie in den nächsten Jahren drängende Fragen im Bereich der Mobilität, der Energieversorgung, der Kommunikation, der Sicherheit, der Gesundheit und des Umweltschutzes beantworten können. Auf diesen nicht zuletzt in der High-Tech-Strategie der Bundesregierung als Herausforderung für eine wettbewerbsfähige und beschäftigungsstarke Wirtschaft definierten Zukunftsfeldern spielen neue Materialien und innovative Werkstoffe eine Schlüsselrolle. „Wir wollen die Kräfte von Wissenschaft, Wirtschaft, Gesellschaft und Politik noch stärker bündeln und die daraus erwachsenden Synergien für höhere Wettbewerbsfähigkeit und nachhaltigen Wohlstand nutzen“, heißt es im Leitbild der Initiative für ein innovatives Deutschland. Und: „Wir wollen die Zusammenarbeit von Hochschulen, Forschungseinrichtungen mit Unternehmen und internationalen Partnern stetig ausbauen und neue Kooperationen fördern.“ Auch im Bereich der High-Tech- Megatrends wirken die MatWerk-Fachausschüsse der DGM auf vielfältige Art und Weise an diesem Leitbild mit. 10 11 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Leichter, günstiger, schneller. Megatrend „Mobilität“ DGM-Fach- und Gemeinschaftsausschüsse: > Magnesium Leben ist Bewegung, Menschen wollen reisen. Die schnelle, sichere, komfortable, > Aluminium umwelt- und ressourcenschonende Fortbewegung zu Wasser, zu Lande und zu Luft > Titan und Titanlegierungen gewinnt in unserer mobilen Gesellschaft immer größere Bedeutung. Nicht zuletzt > Verbundwerkstoffe dank seiner materialwissenschaftlichen und werkstofftechnischen Innovationen ist > Zellulare Werkstoffe Deutschland in der Straßen- und Schienenfahrzeugforschung ebenso wie im Auto- > Hybride Werkstoffe und Strukturen mobilbau oder in der Luft- und Raumfahrtforschung, für die Zukunft ausgezeichnet > Metallische Verbundwerkstoffe aufgestellt. Historisch ist Materialwissenschaft und Werkstofftechnik „Made in Germany“ in Sachen Mobilität immer schon ein maßgeblicher Wegbereiter gewesen. Von der Zündkerze über den Dieselmotor bis hin zur Magnetschwebebahn, vom Segelflieger über das Düsentriebwerk bis hin zum Hubschrauber haben Erfinder wie Robert Bosch, Rudolf Diesel, Hans Joachim Pabst von Ohain oder Heinrich Focke immer wieder auf neue Materialentwicklungen zurückgegriffen, um ihre bewegenden Ideen in die Tat umzusetzen. Heute helfen Konstruktions- und Verbundwerkstoffe, verschleißbeständige Ober flächen oder Leichtbaustähle gleichermaßen dabei, Autos, Flugzeuge, Schiffe und Züge leichter, günstiger, energieeffizienter, leiser und schneller zu machen. Mit zahlreichen Fachausschüssen gibt die DGM hier die entscheidenden Impulse. 12 13 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Selbstredend sorglos. Megatrends „Kommunikation“ und „Sicherheit“ Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. DGM-Fach- und Gemeinschaftsausschüsse: > Materialien für elektronische Anwendungen > Computersimulation > Materialographie Wir müssen reden. Und wir wollen mailen, twittern, bloggen, skypen: mit immer kleineren Geräten, und im > Thermodynamik, Kinetik und Konstitution der Werkstoffe Vertrauen auf die Sicherheit der Dinge. Den damit verbundenen Herausforderungen stellen sich Forschung und > Werkstoffcharakterisierung mit Strahllinien Industrie in Deutschland mit großem Engagement. Dabei blieben Smartphones oder Tablet-PCs ohne Material- > Werkstoffverhalten unter mechanischer Beanspruchung wissenschaft und Werkstofftechnik stumm. Und die Sicherheit der Dinge wäre ein unkalkulierbares Risiko. > Materialermüdung In den Bereichen Kommunikation und Sicherheit hat Deutschland traditionell einen guten Ruf. Mit neuen Materialien und Werkstoffen haben Erfinder wie Konrad Zuse (Computer, 1941), Emil Berliner (Plattenspieler, 1887), Fritz Pfleumer (Tonband, 1928) und Karlheinz Brandenburg (MP3-Format, 1987) Mediengeschichte geschrieben. Die von Jürgen Dethloff und Helmut Gröttrup entwickelte Chipkarte machte nicht nur den bargeldlosen Bank verkehr Anfang der 70er Jahre mit einem Schlag problemlos. Und der 1971 von Mercedes Benz eingeführte Airbag bot auf der Straße neuen Schutz. Überhaupt sorgt Materialwissenschaft und Werkstofftechnik im gesamten Alltagsleben dafür, dass Bauteile in Computern, Handys, ICE-Zügen oder Windkraftflügeln gefahrlos funktionieren. Viele Fachausschüsse der DGM fördern nicht zuletzt auch den Dialog unter denen, die unsere Welt immer kommunikativer und sicherer machen. 14 15 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Lichter schonend strömen. Megatrend „Energie“ DGM-Fach- und Gemeinschaftsausschüsse: > Feuerfestwerkstoffe > Gläser und optische Materialien > Hochleistungskeramik (HLK) > Hochtemperatur-Sensorik > Werkstoffe der Energietechnik Wer die Zukunft gestalten will, braucht Energie. Und er muss die Ströme der Natur mit den Kräften der Technik so effizient und nachhaltig wie möglich verbinden lernen. Bei der Erzeugung, Speicherung – und Reduzierung – von Energiemengen leisten Forschung und Industrie hierzulande einen entscheidenden Beitrag. Bei Hybridkraftwerken und Solarenergie belegt Deutschland – ebenso wie bei der Batterieoptimierung oder in der Photovoltaik – einen Spitzenplatz. Ohne Materialwissenschaft und Werkstofftechnik aber ginge in diesen Bereichen buchstäblich der Saft aus. Seit der Erfindung der Glühbirne mit Kohleglühfaden durch Heinrich Göbel 1854 haben deutsche Forscher mit Hilfe neuer Materialien und Werkstoffe in der Energieversorgung und -nutzung immer wieder Highlights gesetzt. Von der Entwicklung der Kathodenstrahlröhre durch Karl Ferdinand von Braun über die Vorarbeiten von Otto Lehmann zu LCD-Flüssigkristallbildschirmen reicht das Spektrum bis hin zu innovativen organischen Leuchtdioden (OLEDs), die die Welt brillanter leuchten lassen. Heute sichern feuerfeste Werkstoffe und Hochtemperatur-Sensoren die Effektivität von Energieprozessen. Intermetallische Phasen, Aluminium oder Titan senken im Verkehr den Kraftstoffverbrauch und den CO2-Ausstoß; Verbundwerkstoffe garantieren, dass sich Windradflügel reibungslos drehen können. In ihren Fachausschüssen arbeitet die DGM mit viel Energie an diesen Entwicklungen mit. 16 17 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Länger beweglich fit. Megatrend „Gesundheit“ Wir werden immer älter. Und wollen trotzdem Zeit unseres Lebens fit und gesund bleiben. In einer alternden Gesellschaft werden Innovationen der Medizintechnik auch für den Forschungs- und Wirtschaftsstandort Deutschland immer wichtiger – ebenso wie bei der Entwicklung neuer minimalinvasiver Operationsmethoden oder bei bildgebenden Verfahren, in Diagnostik und in der regenerativen Medizin. Dabei führt an Materialwissenschaft und Werkstofftechnik kein Weg vorbei. Traditionell ist Deutschland vor allem durch ihre Pharmaindustrie (Aspirin, Anti-BabyPille, HPV-Impfstoffe) im Bereich der Gesundheit international ausgezeichnet aufgestellt. In gewisser Weise wurde sogar die Bakteriologie von Robert Koch (1876) „erfunden“ – Voraussetzung dafür, dass biokompatible Dauerimplantate aus intermetallischen Phasen oder Biokeramik auf die Bedingungen im Körper bestmöglich angepasst werden können. Von hier aus ist es nur ein kleiner Schritt zur deutschen Mikrosystemtechnik, die ebenfalls auf neuen Materialien und Werkstoffen basiert: 1997 stellte die Otto Bock Healthcare GmbH aus Duderstadt das erste vollständig mikroprozessorgesteuerte Kniegelenk vor. Heute schicken ferromagnetische Materialien Medikamente gezielt an Krankheitsherde. Bioresorbierbare Stents und Magnesiumschrauben lösen sich nach Gefäßerweiterungen oder Heilung von Knochenbrüchen auf und werden vom Körper auf natürliche Weise wieder ausgeschieden, metallische Schaumstrukturen ersetzen Knochen ganz. Mit ihren Fachausschüssen forciert die DGM im ganzen Zukunftsfeld „Gesundheit“ die zentralen Trends. DGM-Fach- und Gemeinschaftsausschüsse: > Bioinspirierte und interaktive Materialien > Biomaterialien > Gefüge und Eigenschaften von Polymerwerkstoffen > Hochleistungskeramik > Intermetallische Phasen > Titan und Titanlegierungen 18 19 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Nachhaltig sauber. Megatrend „Umwelt und Klima“ Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. DGM-Fach- und Gemeinschaftsausschüsse: > Gefüge und Eigenschaften von Polymerwerkstoffen > Intermetallische Phasen > Pulvermetallurgie > Mechanische Oberflächenbehandlung > Stranggießen > Strangpressen > Texturen > Walzen > Ziehen Gutes Klima ist wichtig. Das gilt im Privatleben ebenso wie im Berufsalltag oder beim Umweltschutz. Wo mit dem Energieverbrauch und der Mobilität unserer Gesellschaft auch die Schadstoffemissionen steigen, sind effiziente und nachhaltige Strategien auf dem Gebiet der Ökologie gefragter denn je. Der Umwelt- und Klimaschutz ist auch in Deutschland ein ebenso weites wie junges Feld. Da nach Schätzungen der Bundesregierung zwei Drittel aller Technologien von Werkstoffaspekten abhängig sind, führt auch dabei kein Weg an der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik vorbei. Auf dem Gebiet umwelt- und ressourcenschonender Materialien und Werkstoffe reicht das Spektrum von Leichtmetallkomponenten oder strömungsgünstigen Oberflächen für den Automobil- und Flugzeugbau über nanostrukturierte Materialien, die Strom aus Wärme erzeugen können, bis hin zu druckbaren Solarzellen für Taschen oder Kleinsensoren für Kleidungsstücke, die es bald möglich machen werden, ohnehin vorhandene Energie für Laptops direkt aus der Umgebung zu „ernten“ oder den Druck des Joggers auf seinen Laufschuh in Strom für einen MP3-Player zu verwandeln. Aber auch in Fragen der Fertigungs-, Prozess- und Verfahrenstechnik sorgen ressourcenschonende und ökologisch sinnvolle Entwicklungen der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in allen Bereichen dafür, dass unsere Umwelt sauber bleibt – oder erst wieder sauber wird. Mit ihren Fachausschüssen setzt die DGM hier die entscheidenden Maßstäbe und gibt zentrale Impulse. 20 21 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Werkstoffe und Materialien Egal ob neuartige metallische Strukturen, hybride Werkstoffe, faserkeramische Verbundwerkstoffe oder hochtemperaturbeständige Materialien – neue Werkstoffe und Leichtbau mit völlig neuen Eigenschaften und Funktionen sichern den Wohlstand der Gesellschaft und sorgen dafür, dass der Wirtschaftsstandort Deutschland ausgebaut und gesichert wird. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ermöglichen neue Elektroautos und innovative Flugzeug-Konzepte, aber auch Weiterentwicklungen im Maschinenbau, neue Prothesen und Medizingeräte sowie funktionale Sportbekleidung mit Elektronik. Gesammelt, vermittelt und verbreitert wird dieses Werkstoffwissen in den Fach- und Gemeinschaftsausschüssen der DGM – von A wie „Aluminium“ bis Z wie „Zellulare Werkstoffe“ 22 23 Erfahrung · Kompetenz · Wissen 24 Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Leicht – und schwer im Kommen. Aluminium Wegen seiner stetig wachsenden Verfügbarkeit und der Richtig kombinieren Entwicklung spezieller Legierungen ist Aluminium der Auf dem Gebiet der Mischverbindungen liegt der größte bedeutendste Leichtbauwerkstoff der letzten Jahrzehnte Bedarf zurzeit in der Erforschung der Wechselwirkungen geworden. Und sein Siegeszug geht ungebremst weiter. von Aluminium mit anderen Werkstoffen, namentlich in Verwendung findet das Metall in unzähligen Bereichen Abhängigkeit von den unterschiedlichen Fügeverfahren. unseres Alltag, so bei Verpackung (Dosen, Folien, Scha- Nur so ist die zuverlässige Herstellung und der sicheren len), Zeitungen (Offsett Druckplatten), Bauwerken (Fassa- Betrieb von Mischbauweisen möglich. Darüber hinaus den, Fenster, Leichtbau) und im Verkehrswesen (Luft- und stellt aus Sicht der Industrie vor allem der wirtschaftliche Raumfahrt, Schiffe, Bahnen, Automobile, Fahrräder etc.). Aspekt der Kosteneffizienz bei der Produktion von Alumi- Der DGM-Fachausschuss ist eines der ältesten Gre- Der Grund: Aluminium ist besonders energie- und kosten nium und der Weiterverarbeitung zu Aluminium-Bauteilen mien der DGM. In seinen verschiedenen Arbeits effizient und dadurch umweltschonend. Dank dieser he- eine große Herausforderung dar. kreisen behandelt er aktuelle Aspekte der speziellen DER FACHAUSSCHUSS „ALUMINIUM“ Eigenschaften von Aluminium und seiner Legierun- rausragenden Eigenschaften erhöht es zudem die Transportreichweiten, was unter anderem dem Mega-Trend der Um die Spitzenstellung der deutschen Wissenschaft und gen, Fertigungs- und Verarbeitungstechnologien aus E-Mobilität zugutekommt. Wirtschaft im Bereich der Aluminiumnutzung auch in den wissenschaftlich-grundlegender nächsten Jahrzehnten sicherzustellen, sollten verstärkt angewandter Sicht. Ein besonderer Schwerpunkt Mit Hilfe von Aluminium können Leichtbauprodukte sehr Forschungsprogramme eingerichtet werden, die gezielt liegt auf der innovativen Nutzung im Leicht- und gut auf die besonderen Bedürfnisse der unterschiedlichen die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Ingenieurswis- Fahrzeugbau sowie bei Fügeverfahren und Recy- Gesellschaften dieser Welt abgestimmt werden. Deshalb senschaftlern aus den Bereichen der Konstruktion, der cling. Die Mitglieder des Fachausschusses stammen hat der stete Aufbau von werkstofftechnischen Wis- Fertigung, der Werkstofftechnik sowie der Prozess- und aus sen ebenso wie die daraus resultierenden Technologie Verfahrenstechnik fördern – und dabei auch die transdis- ebenso wie aus Betrieben. Schnittstellen zu Fach- entwicklungen in diesem Bereich einen großen Einfluss ziplinäre Kooperation mit anderen Disziplinen etwa aus und Industrieverbänden bestehen ebenfalls. auf die internationale Wettbewerbsfähigkeit deutscher den Natur-, Wirtschafts- und Gesellschaftswissenschaften Technologiebranchen – und damit auf die Sicherung von mit einbeziehen. Dabei ist die gleichberechtigte Beteili- Der Fachausschuss initiiert Forschungsinitiativen zahlreichen Arbeitsplätzen. Um diese Wettbewerbsfähig- gung von akademischen Partnern und Partnern aus den und Entwicklungsprojekte etwa der Arbeitsgemein- keit zu erhalten bzw. auszubauen, bedarf es auch in Zu- Wirtschaftszweigen essentiell. schaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto kunft zahlreicher Anstrengungen. Hochschulen und bzw. industriell- Forschungseinrichtungen von Guericke“ e.V. (AiF). Zudem organisiert er Veranstaltungen, Fortbildungen, Seminare und Tagungen wie die International Conference on Aluminum Alloys (ICAA) oder den International Congress on the Science and Technology of Light Materials (LightMat) mit. Ansprechpartner: Prof. Dr. Jürgen Hirsch [email protected] 25 Erfahrung · Kompetenz · Wissen ErfahrungGesellschaft Deutsche · Kompetenz für· Wissen Materialkunde e.V. Nach der Natur. Bioinspirierte Materialen 26 Die Entwicklung von bioinspirierten Materialien ist ein Neue Wege jenseits der Konventionen moderner interdisziplinärer Ansatz der Materialwissen- Für die Analyse von biogenen Materialien und den schaft und Werkstofftechnik mit dem Ziel, Vorbilder für Erkenntnistransfer in die Anwendung ist eine enge, in- technische Anwendungen in der Natur zu identifizieren, tensive und offene Zusammenarbeit verschiedener wis- zu verstehen – und basierend darauf neue Lösungen zu senschaftlicher Disziplinen untereinander und mit der DER FACHAUSSCHUSS „BIO-INSPIRIERTE UND etablieren. Es werden jene optimierten Lösungen analy- Industrie unabdingbar. Hier gilt es insbesondere, interdiszi- INTERAKTIVE MATERIALEN“ siert, die die Evolution für bestimmte mechanische, struk- plinäre Hemmnisse zwischen Natur- und Ingenieurwissen turelle oder organisatorische Probleme entwickelt hat, um schaften zu überwinden. Zudem müssen Unternehmen Der DGM-Fachausschuss versteht sich als S chnittstelle die gefundenen Prinzipien dann aufbereitet und in einer noch stärker als bisher dafür gewonnen werden, traditi- zwischen Material- und Naturwissenschaften, und abstrahierten Form der Technik zugänglich zu machen. onelle Verfahren durch neuartige bioinspirierte Ansätze spricht daher sowohl Ingenieure als auch Grundlagen- und Prozesse zu ersetzten. forscher aus klassischen Disziplinen wie den Naturwissenschaften an. Er will die Systematik natürlicher Bioinspiration ist auf unzählige Felder und Bereiche anwendbar. Die Entwicklungen reichen vom berühm Inhaltlich gilt es in Zukunft, insbesondere die Wechsel- Vorbilder ebenso erforschen wie Material-Struktur- ten „Lotus-Effekt“ für schmutzabweisende Oberflächen wirkung zwischen Organismen und Materialien besser Interaktionen oder die Abläufe an statischen oder oder den Klettverschluss über Implantatbeschichtungen zu erforschen. Die Kenntnis der Steuerung molekularer dynamischen Grenzflächen. Zudem gehört die Über- aus biotechnologisch hergestellter Spinnenseidebis hin Wechselwirkungen, bzw. von Organisations- und Materi- tragung von genetischer Information auf Material zu Riblet-Folien, deren Schuppenstruktur der Haut von albildungsprozessen wird es erlauben, anwendungsnahe, bildungsprozesse und die Etablierung bioinspirierter Haien nachempfunden ist, um Luftwiderstände zu verrin- komplex strukturierte und multifunktionelle Materialien Materialien zu seinem Aufgabenportfolio. gern. Die Innovationsmöglichkeiten sind deshalb gerade zu generieren, die auf konventionelle Weise nicht herge- auf diesem Disziplinen überschreitenden Gebiet immens stellt werden können. etwa die internationale Konferenz „Bio- inspired – eine Erkenntnis, die sich auch in immer mehr Industrieunternehmen durchsetzt. Zur Verfolgung seiner Ziele richtet der Fachausschuss Derzeit ist das Wissen über die Materialgenese und Pro- Materials“ aus und veranstaltete 2011 den DFG- zessprinzipien aus der belebten Natur nur für wenige Strategieworkshop „Was bietet die Natur an Lösun- ausgewählte, bereits etablierte Materialbeispiele so weit gen für die Materialwissenschaft und Werkstofftech- fortgeschritten, dass eine Übertragung auf industrielle nik?“ Zudem waren Mitglieder des Fachausschusses Herstellungsprozesse möglich ist. Eine Ausweitung auf am Antrag der beiden DFG-Schwerpunktprogramme weitere Beispiele und Materialien stellt eine große Heraus- „Biomimetic Materials Research: Functionality by Hie- forderung für zukünftige Forschungs- und Entwicklungs- rarchical Structuring of Materials“ und „Generation of vorhaben dar. Multifunctional Inorganic Materials by Molecular Bionics“ maßgeblich beteiligt. Ansprechpartner: Prof. Dr. Thomas Scheibel [email protected] 27 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Schnittstelle zum Körper. Biomaterialien Hüftprothesen aus Titan, Gefäßersatz aus Kunstfasern Neue Lösungswege und Zirconiumoxid-Zahnersatz: Biomaterialien sind in der Bis zum vollständigen Verständnis der grundlegenden modernen Medizintechnik längst unersetzlich. Aus Me- Prozesse an der Schnittstelle zwischen Biomaterial und tall, Keramik, Polymeren oder Verbundwerkstoffen maß- Körper sowie deren sicherer Kontrolle in der Praxis ist geschneidert, interagieren sie mit den Zellen des Körpers es noch ein weiter Weg. Neben der Verlängerung der und steuern den Verlauf von therapeutischen oder diag- Lebensdauer von Implantaten stellt hier die Reduktion von nostischen Prozessen. Zentrale Bedeutung haben sie aber Infektionen an Grenzflächen eine zentrale Aufgabe der auch bei der künstlichen Rekonstruktion von Gewebe, nächsten Jahrzehnte dar. 28 FACHAUSSCHUSS „BIOMATERIALIEN“ Der DGM-Fachausschuss versteht sich als Schnitt stelle zwischen Grundlagenforschung und industri- dem „Tissue Engineering“. In Zukunft gilt es zudem, die Produktsicherheit und die eller Entwicklung. Seine Arbeitskreise beschäftigen Einen Sonderfall stellen „bio-inspirierte Biomaterialien“ Qualitätskontrolle von Implantaten zu verbessern. Darüber sich mit bio-inspirierten, abbaubaren und antimikro dar: Materialien nach Vorbildern aus der Natur, deren in hinaus muss der Transfer von bioinspirierten Konzepten in biellen Biomaterialien, Dauerimplantaten, denta- Jahrmillionen optimierte Eigenschaften kaum zu übertref- Implantaten vereinfacht und der Weg von der Idee zum len Werkstoffen, Grenzflächen, Tissue Engineering fen sind (vgl. hierzu auch S. 22). Um hier eine optimale – möglichst kostengünstig zu produzierenden – Produkt sowie mit Modellierung und Simulationen, Zertifi- Umsetzung zu gewährleisten, müssen die zugrunde lie- deutlich verkürzt werden. Neue Produktionstechniken wie zierung, Zulassung, Normierung und rechtlichen Fra- genden Funktionsweisen der Natur optimal verstanden der 3-D-Druck versprechen hier innovative Lösungswege. gen, die sich durch den Einsatz von Biomaterialien ergeben. und umgesetzt werden. Auch deshalb ist die Biomaterialwissenschaft stark interdisziplinär ausgerichtet. In diesem Zusammenhang könnten vor allem interdisziplinäre Verbundprojekte wie die Sonderforschungsberei- In seiner Zusammensetzung bildet der Fachausschuss Wegen ihrer enormen medizintechnischen Bedeutung che (SFB/Transregio) und Forschergruppen der Deutschen mit Materialwissenschaftlern, Physikern, Chemikern, sind innovative Biomaterialien von herausragendem so- Forschungsgemeinschaft (DFG), oder die vom Bundes- Zell- und Mikrobiologen, Ärzten, Zahnärzten und zialen Interesse. Im größeren Kontext leistet ihre Ent- ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) oder der Ingenieuren aus Hochschulen, Universitätskliniken, wicklung einen wichtigen Beitrag, um in einer stetig al- Arbeits gemeinschaft industrieller Forschungsvereinigun- Unternehmen und Verbänden wesentliche nationale ternden Gesellschaft die Lebensqualität zu erhöhen und gen „Otto von Guericke“ (AiF) geförderten Industrie- Kompetenzen über deren Stakeholder ab. die Vitalität möglichst lange zu erhalten. Deshalb tragen Verbundprojekte von Nutzen sein. neue Antworten auf noch ungeklärte Forschungsfragen Um die Community bestmöglich zu vernetzen und nicht nur zur Bewältigung des demografischen Wandels über neueste Entwicklungen zu informieren, veran- bei, sondern auch zur Wettbewerbsfähigkeit der medizin staltet der Fachausschuss unter anderem alle zwei technisch orientierten Wirtschaftszweige in Deutschland. Jahre die internationale Konferenz „Euro BioMat” sowie die Fortbildung „Biomaterialien: Werkstoffe in der Medizin“. Ansprechpartner: Prof. Dr. Klaus D. Jandt [email protected] 29 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Beständig bei Hitze. Feuerfestwerkstoffe Feuerfeste Werkstoffe (Keramiken, Metalle, Verbund- Transferprojekte fördern! werkstoffe) kommen bei Temperaturen von mehr als Aktuell beschäftigt sich die Forschung vor allem mit der 600° Celsius zum Einsatz. Für die heutige Gesellschaft Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und der Fähigkeit von und ein lebenswertes Umfeld sind sie unersetzlich. Ohne Feuerfestwerkstoffen zur CO2-Reduktion. Des Weiteren sie wäre die Stromerzeugung ebenso unmöglich wie die stehen Fragen zur Rohstoffverfügbarkeit und Rohstoff- Herstellung von Metallen, Zement, Keramik und Glas. In qualität im Fokus, aber auch zu umweltfreundlichen der Industrie werden feuerfeste Werkstoffe vor allem für Bindemitteln für Feuerfestanwendungen – Bereiche mit Ofenauskleidungen im Schmelzprozess mit hohen Tempe- großer Komplexität und einer Vielzahl zu berücksichtigen- raturen benötigt, etwa bei der Herstellung und Verarbei- der Aspekte. Die Forschung in Deutschland nimmt diese tung von Aluminium, Eisen und Stahl. Herausforderungen an, wie an der Einrichtung von zahl- 30 reichen Grundlagenforschungsprojekten deutlich wird. Dabei leistet die Entwicklung neuartiger feuerfester Werkstoffe für leistungsfähigere Bauteile mit höherer Lebens- Für aktuelle und zukünftige Innovationen ist es aber dauer und verbesserten Eigenschaften etwa im Bereich der auch wichtig, die Grundlagenforschung mit der An- Hochtemperaturanwendung einen zentralen Beitrag zu wendung noch stärker als bisher in Einklang zu brin- mehr Nachhaltigkeit – und damit zu mehr Umweltschutz. gen, um Erkenntnisse möglichst schnell in die Praxis zu Aus wirtschaftlicher Sicht führen diese Neuentwicklungen überführen. Ein wichtiger Ansatz hierzu sind sogenannte zu Kosteneinsparungen und bewirken, dass Deutschland Transferprojekte, die beispielsweise von der Deutschen auf internationaler Ebene seine innovative Stellung auch Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und von Indus- in der Zukunft behaupten kann. trieverbänden wie dem Stahlinstitut VDEh im Sinne einer DER GEMEINSCHAFTSAUSSCHUSS „FEUERFESTWERKSTOFFE“ umweltfreundlichen Industrieproduktion unterstützt werDer von der DGM und der Deutschen Keramischen Maßstäbe setzte das vom Gemeinschaftsausschuss bogen von den Rohstoffen über die Verarbeitung und den Gesellschaft (DKG) eingerichtete Gemeinschaftsaus initiierte Schwerpunktprogramm „Feuerfest – Initia- Hochtemperatureinsatz bis hin zum Rückbau inklusive des schuss will ein wissenschaftlich fundiertes Verständnis tive zur Reduzierung von Emissionen“ (FIRE), das die Recyclings im Fokus der Forschung stehen, wobei jeder der mechanischen, thermischen, chemischen und funk- DFG seit 2009 fördert und das sich auf die Entwick- Bereich jeweils von den dazu gehörigen analytischen, tionstechnischen Eigenschaften von Feuerfestwerk lung kohlenstoffverminderter bzw. kohlenstoff prüftechnischen und modellierungstechnischen Fragestel- stoffen sowie zu deren Kompatibilität erarbeiten. freier Feuerfestmaterialien für Anwendungen unter lungen begleitet werden sollte. Hierzu initiiert er gemeinsame Projekte von Universi- hoher Thermoschockbelastung in der Stahlherstel- täten, Forschungsinstituten und Unternehmen. lung konzentriert. Um dieses Ziel zu erreichen, muss der gesamte Themen- den. Hier besteht weiterer Handlungsbedarf. Die Mitglieder des Gemeinschaftsausschuss stammen Ansprechpartner: aus Forschung und Industrie, wobei mit Rohstofflie- Prof. Dr.-Ing. Christos G. Aneziris feranten, Feuerfestherstellern und Endanwendern [email protected] die gesamte Wertschöpfungskette vertreten ist. Die Verbindung zu Fachverbänden wie dem Stahlinstitut VDEh, dem European Centre for Refractories (ECREF) oder dem Deutschen Institut für Feuerfest und Keramik (DIFK) illustriert diese Bandbreite. 31 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Der Tausendsassa. Hochleistungskeramik Aufgrund ihrer besonderen thermischen, mechanischen Verbund bis zum Produkt und chemischen Eigenschaften kommt der Hochleistungs- Um den Anforderungen der nächsten Jahrzehnte ge- keramik (HLK) in vielen Anwendungsbereichen heute be- recht zu werden, muss das Eigenschafts-Mikrostruktur- reits eine Schlüsselrolle zu. Dabei reicht die Bandbreite Verständnis sowohl für neue Funktions- und Struktur- von Gasturbinen, Pumpen oder Dichtungssystemen über werkstoffe als auch für Verbundwerkstoffe, Komposite ressourcenschonende Lösungen für die chemische Ver- und Hybride allerdings deutlich verbessert werden. Zu- fahrenstechnik bis hin zu Gelenkimplantaten und Dental- dem müssen die Möglichkeiten neuartiger Technolo- produkten wie Kronen oder Brücken. So bieten Hochleis- gien wie additiver Herstellungs- oder feldunterstützter tungskeramiken schon jetzt wesentliche Antworten auf Sinterverfahren besser ausgeschöpft und Methoden der drängende Fragen zu Energie, Mobilität, Lebensqualität FEM-Simulation weiterentwickelt werden. Gleiches gilt für und Sicherheit. Methoden der Werkstoffdiagnostik oder die Multiskalen- 32 Simulation zum Verständnis der atomaren Wechsel In Zukunft wird keramischen Verbundwerkstoffen und wirkungen bei Vielkomponentensystemen. energieeffizienten hybriden Werkstoffen mit HLK-Elementen eine noch stärkere Rolle zukommen als bisher. Hoch Die Erschließung neuer Innovationspotentiale für kerami- belastbare Faserkeramiken mit langer Lebensdauer könn- sche Hochleistungswerkstoffe und der damit verbundenen ten einen wesentlichen Beitrag zur Ressourcenschonung Technologien ist eine Gemeinschaftsaufgabe, für die eine fossiler Energieträger und damit zum Klimaschutz leisten. langfristig ausgerichtete Grundlagenforschung mit einer Gleiches gilt für ökologisch wertvolle Magnetwerkstoffe kurz- und mittelfristig orientierten Produkt- und Techno- mit verbessertem Preis-Leistungsverhältnis für die Wind- logieentwicklung besser vernetzt werden muss. Wissen- kraftanwendung oder stationäre Stromspeicher – sofern schaftler, Keramikhersteller und Anwender sollten hierzu hier die Entwicklung produktiverer Fertigungsverfahren noch stärker als bisher interdisziplinär kooperieren und gelingt. Sowohl im Bereich der Elektromobilität als auch dabei auch für den dringend erforderlichen Fachkräfte bei der konventionellen Antriebstechnik könnten lang nachwuchs sorgen. DER GEMEINSCHAFTSAUSSCHUSS „HOCHLEISTUNGSKERAMIK“ Der von DGM und Deutscher Keramischer Ge- Der Gemeinschaftsausschuss realisiert seine Ziele vor- lebige und zuverlässige Verbund- und Schichtsysteme auf sellschaft wiegend über seine Arbeitskreise (Biokeramik, Funk- Keramikbasis bald unverzichtbar sein. ausschuss will unter anderem das Eigenschafts- tionskeramik, keramische Membranen, R ohstoffe (DKG) verantwortete Gemeinschafts- Mikrostruktur-Verständnis von der Rohstoffebene und Verstärkung) . Darüber hinaus veranstaltet er bis zur Systemintegration verbessern helfen sowie regelmäßig das internationale Kolloquium „Hochleis- die Werkstoffdiagnostik und die Multiskalen-Model- tungskeramik“ und initiiert bzw. koordiniert bran- lierung für Werkstoffe und Bauteile vorantreiben. chenweite Roadmap-Prozesse. Er vereint Materialwissenschaftler und Werkstofftechniker, Chemiker, Physiker, Verfahrenstechniker Ansprechpartner: und Ingenieur wissenschaftler aus Forschung und Dr. Ingolf Voigt Industrie. Aufgrund der großen Anwendungsbreite [email protected] von HLK sind neben Keramikherstellern Vertreter nahezu aller Branchen vertreten, unter anderem aus dem Automobil-, Maschinen- und Anlagenbau, der Elektrotechnik und Optik sowie der Medizin. 33 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Das Two-in-One-Prinzip. Hybride Werkstoffe und Strukturen Komplexe Maschinen wie Autos oder Flugzeuge bestehen Zusammenarbeit fördern naturgemäß aus mehreren Komponenten – und somit aus Aktuell ist das industrielle und akademische Interesse an mehreren Materialien. Durch den durchdachten Einsatz hybriden Bauweisen im deutschsprachigen Raum deutlich hybrider Werkstoffe aus zwei verbundenen Werkstoff- größer als in anderen Ländern. Diesen Vorsprung gilt es klassen – namentlich vor allem aus Verbundwerkstoff und zu sichern. Hierzu muss die Expertise aus Metallen, Poly Metall – können sie deutlich näher am Optimum gestaltet meren und der Interface-Entwicklung aus den verschiede- werden. nen Fachgebieten mit geeigneter Fertigungstechnik noch 34 stärker als bisher zusammengeführt werden: Bisher werDer durch Hybridbauweise reduzierte Materialeinsatz den Lösungen für spezielle Aufgaben häufig empirisch macht die Maschinen zudem leichter, was die Energie-, ermittelt, sodass die Ergebnisse bei kleinsten Veränderun- Kosten- und Umwelteffizienz ebenso erhöht wie die Nut- gen in den Randbedingungen ihre Gültigkeit verlieren. zungsdauer – und gleichzeitig Wartungsaufwand und etwaige Entsorgungskosten senkt. Bestimmte Produkte und Überhaupt liegt der wesentliche Forschungsbedarf der Funktionen werden durch hybride Werkstoffe und Struk- nächsten Jahrzehnte darin, mit Hilfe einer Kombination turen ohnehin erst möglich gemacht. aus Experiment, Konstruktion und numerischer Simulation die komplexen Wirkungszusammenhänge aufzuklären, die Dies geht vom metallischen Gewindeeinsatz in Verbund- eine zuverlässige Herstellung und den sicheren Betrieb von werkstoffstrukturen bis hin zur Rumpfoberschale des Air- Hybridbauteilen in größerer Anwendungsbreite zu ermög- bus A380 aus Faser-Metall-Laminat. lichen – von der Werkstoffherstellung und Bauteilfertigung über die Bauteilauslegung bis hin zur Verhaltensanalyse Eine weitere Verbreitung und steigende Akzeptanz hybri- über den gesamten Lebenszyklus. Eine weitere Herausfor- der Werkstoffe und Strukturen würde somit die interna- derung wird es mittelfristig sein, hybride Werkstoffe und tionale Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands stärken und Strukturen zu schaffen, die besser recycelbar sind. dem Wohl der Gesellschaft dienen – nicht zuletzt auch DER FACHAUSSCHUSS „HYBRIDE WERKSTOFFE UND STRUKTUREN“ Der DGM-Fachausschuss beschränkt sich ausdrücklich sächlich Kontakte zu Fachverbänden und Arbeitskrei- auf Strukturwerkstoffe mit Leichtbau als Hauptan- sen der Metall- und Verbundwerkstoff-Verarbeiter, durch Arbeitsplätze in Technologiebranchen inklusive der Konkret besteht akuter Bedarf an interdisziplinären For- wendungszweck. Dabei stehen vor allem Werkstoff- darunter der Gesamtverband der Aluminiumindus- gesamten Zulieferkette. schungsprogrammen, die gezielt die Zusammenarbeit kombinationen aus Verbundwerkstoffen und Metal- trie e.V. (GDA), dem Netzwerk für Kohlenstofffaser- von Herstellern und Verarbeitern im Metall-, Kunststoff- len im Fokus. Wegen der interdisziplinären Thematik verbundleichtbau CFK-Valley Stade oder dem DACH- und Verbundwerkstoffsektor sowie die Zusammenarbeit ist er mit Materialwissenschaftlern, Maschinenbau- Verband für Hochleistungs-Faser verbundwerkstoffe von natur- und ingenieurswissenschaftlichen Disziplinen ern und Naturwissenschaftlern der Chemie bzw. Phy- Carbon Composites e.V. fördern. sik sowie Rohstoffherstellern bzw. -verarbeitern und Mitgliedern aus dem Automobil-, Luft- und Raum- Ansprechpartner: fahrtbau bewusst heterogen angelegt. Prof. Dr.-Ing. Joachim M. Hausmann [email protected] Der Kreis des Fachausschusses organisiert unter anderem die internationale Konferenz „Euro Hybrid Structures and Materials“. Zudem wirkte er am Symposium „Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde“ sowie an der Werkstoffwoche mit. Derzeit bestehen haupt- 35 36 DER FACHAUSSCHUSS „INTERMETALLISCHE PHASEN“ Erfahrung · Kompetenz · Wissen Erfahrung · Kompetenz · Wissen Der DGM-Fachausschuss befasst sich mit intermetallischen Werkstoffen bzw. Phasen in Legie- Eine gute Verbindung. Intermetallische Phasen rungen sowie deren Herstellungsmethoden und Anwendungsgebieten. Er vereint Mitglieder aus der Materialwissenschaft, dem Maschinenbau, der Physik und der Industrie, die hauptsächlich aus dem Flugtriebwerk- oder Automobilantriebbereich stammen oder sich mit der Herstellung von Rohmaterialien bzw. der Weiterverarbeitung intermetallischer Werkstoffe Da sie dank besserer oder gänzlich neuer Eigenschaften Konstruktion und Auslegung verbessern befassen. Während in der Vergangenheit materialwis- etablierte Werkstoffe oft buchstäblich alt aussehen lassen, Intermetallische hervorragende senschaftliche Grundlagenforschung im Mittelpunkt sind Werkstoffverbindungen aus zwei oder mehr Metallen Eigenschaften, reagieren aber sehr empfindlich auf die Be- stand, rückt inzwischen immer mehr die Anwendung für zahlreiche Anwendungen in der Verkehrs-, Energie- dingungen während der Produktion. Deshalb ist ein noch in den Fokus, wobei neue Materialklassen wie Silizide und Medizintechnik äußerst attraktiv. besseres Verständnis vom Wechselspiel zwischen Herstel- einen breiteren Raum einnehmen werden. Werkstoffe besitzen lungstechnik, Mikrostruktur und Materialeigenschaften Formgedächtnislegierungen aus intermetallischen Phasen ebenso wichtig wie die Entwicklung von Herstellungs- Nicht zuletzt dank der Mitglieder des Fachausschusses beispielsweise entfalten Sonnensegel von Satelliten, be- methoden, die konkret auf die Bedürfnisse intermetalli- hat sich bei den intermetallischen Phasen hierzulande tätigen Ventile im Automobilmotor oder machen Brillen- scher Werkstoffe abgestimmt sind. Mit der zunehmenden inzwischen eine wissenschaftliche Community mit in- gestelle hochflexibel. Ein großer Durchbruch der letzten industriellen Verwendung ergeben sich außerdem neue ternationaler Strahlkraft etabliert. Augenfälligster Be- Jahre ist auch der Einsatz von Titan-Aluminid-Werkstoffen Fragestellung bei Reparatur und Recycling, auch für pro- weis ist die in zweijährigem Turnus stattfindende in- bei Turbinenschaufeln in Flugtriebwerken, was diese duktionsbedingt anfallendes Restmaterial. ternationale Konferenz „Intermetallics“, die Forscher und Industrievertreter aus aller Welt anzieht. nicht zuletzt deutlich leiser machte und den CO2-Ausstoß verringerte. Auch Eisen-Aluminide haben das Potential, Eine wichtige Herausforderung der Zukunft liegt bei Kon- Stähle dank ihrer besserer Eigenschaften aus Teilen der struktions- und Auslegungsmethoden, die die speziellen Ansprechpartner: fossilen Kraftwerkstechnik zu verdrängen, wodurch etwa Eigenheiten von intermetallischen Werkstoffen berück- Prof. Dr.-Ing. Florian Pyczak Dampfturbinen effizienter und damit umweltverträglicher sichtigen können. Vor allem DFG-Schwerpunkt- oder [email protected] werden. BMBF-Förderprogramme könnten hier zu einem erheblichen Initialschub führen – sofern sie von der Grundla- Bei den intermetallischen Phasen belegt Deutschland so- genforschung bis hin zur produzierenden, weiterverarbei- wohl bei der Forschung als auch bei der industriellen An- tenden und anwendenden Industrie alle entscheidenden wendung in Medizin-, Raumfahrt und Automobiltechnik Aspekte der Werkstoff- und Prozessentwicklung berück- einen Spitzenplatz. Ein Ausbau dieser Position schafft und sichtigen. sichert Arbeitsplätze. Da der Einsatz intermetallischer Phasen zudem Schadstoffemissionen oder Lärmbelastungen reduzieren und die Mobilität der Gesellschaft erhöhen kann, führt ihre Weiter- und Neuntwicklung auch zu mehr Lebensqualität. 37 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Das Leichtgewicht. Magnesium Magnesiumlegierungen sind echte Leichtgewichte – und Das hat damit zu tun, das sich schon der schulische deshalb für Maschinen-, Automobil- und Flugzeugbau Chemieunterricht im Experiment eher auf die wenig hilf- gleicher maßen von Interesse. Selbst Legierungen aus reiche, aber wegen der gleißend hellen Flamme effektvoll Aluminium, mit denen Magnesium innerhalb der Indus- umzusetzende Erkenntnis reduziert, dass Magnesium- trieproduktion in starker Konkurrenz steht, sind bis zu bänder brennbar sind (was unter bestimmten Umständen 30 Prozent schwerer. Und im Vergleich zu Stahl lässt sich praktisch für alle Metalle gilt). Auch in der Hochschul mit Magnesium sogar bis zu 70 Prozent an Masse einspa- lehre, etwa in Vorlesungen, kommt Magnesium – anders ren. als zum Beispiel Stahl – kaum vor. Da Energie notwendig ist, um Masse zu beschleunigen Deshalb wird die Verbreitung von korrekten Informati- und in Bewegung zu halten, würde ein breiterer Einsatz onen zum Eigenschaftsprofil und der Verarbeitung von von Magnesiumlegierungen also zu einer enormen Sprit Magnesiumlegierungen in Deutschland einen höheren einsparung führen – und damit zu einem weitaus gerin- Stellenwert bekommen müssen. Hier besteht – im schu- geren CO2-Ausstoss als bei anderen Legierungen. Die da- lischen Umfeld angefangen, und in der Hochschullehre durch gesteigerte Fahrzeugeffizienz kommt nicht zuletzt weitergehend – erhöhter Bildungsbedarf. An den entspre- auch dem Transportwesen zugute, da sich so bei glei- chenden Maßnahmen sollten sich Forschungseinrichtun- chem Energieverbrauch Reichweiten und Gütermengen gen ebenso beteiligen wie betroffene Unternehmen und steigern lassen. Einrichtungen wie die DGM. Dies allerdings erfordert auf 38 jeden Fall einen erhöhten Personaleinsatz. Rein ehrenamtWissen verbessern – schon im Unterricht liche Tätigkeiten sind hier nicht ausreichend. Bei der Lösung von Herausforderungen rund um den Einsatz von Magnesium in der industriellen Fertigung ist Wozu ein besserer Informationsfluss führen kann, haben Deutschland gemeinsam mit Asien Spitzenreiter. Trotz- die USA unlängst vorgemacht. Dort will die Bundesluft- dem ist das Wissen um seine Eigenschaften und Vorteile fahrtbehörde Federal Aviation Administration (FAA) Mag in der Öffentlichkeit, aber auch bei Konstruktionsingeni- nesium noch im Jahr 2015 in Flugzeugkabinen zulassen. Der DGM-Fachausschuss beschäftigt sich mit Guss- men vor allem aus Unternehmen des Maschinen-, euren oft lückenhaft. Trotz zahlreicher FuE-Maßnahmen So ist auch in der Luftfahrt ist in naher Zukunft weiterer und Knetlegierungen aus Magnesium, und hier Automobil- und Flugzeugbaus, die Magnesium wird dieses Unwissen nicht selten zum Problem. Forschungsbedarf zu erwarten. insbesondere mit ihrer Verarbeitung sowie ihren legierungen einsetzen bzw. deren Einsatz planen. Eigenschaften für typische Anwendungen in der Der Fachausschuss kann zahlreiche Erfolge vorwei- Industrie. Dabei steht der Einfluss von Legierungs- sen. So initiierte er nicht zuletzt das 2004 bewilligte elementen und Verarbeitungsschritten auf die das und auf sechs Jahre hin angelegte DFG-Schwer- Eigenschaftsprofil bestimmende Mikrostruktur im punktprogramm „Erweiterung der Einsatzgrenzen Vordergrund. Da gerade fehlende bzw. falsche In- von Magnesiumlegierungen“. DER FACHAUSSCHUSS „MAGNESIUM“ Der Fachausschuss „Magnesium“ besteht aus Mitgliedern der Forschung und Industrie; letztere stam- formationen zu Magnesiumlegierungen oft deren Einsatz von verhindern, liegt ein weiterer Schwer- Ansprechpartner: punkt auf der Wissensvermittlung zu Eigenschaften Dr.-Ing. Norbert Hort und Anwendungsbereichen. [email protected] 39 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Klug kombiniert. Metallische Verbundwerkstoffe Metallische Verbundwerkstoffe (englisch: „Metal Matrix führen. Nischenanwendungen im Maschinenbau, bei Um- Composite“, kurz MMC) bestehen aus einer Metallmatrix form- und Gießwerkzeugen oder in der Fertigungs- bzw. und einer Einlagerungsphase, die sich in zumindest einer Energietechnik sind ebenfalls denkbar. Der damit für den Charakteristik (Steifigkeit, Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Wirtschaftsstandort Deutschland einhergehende Wettbe- thermische Ausdehnung, Abbrandverhalten in Kontakt- werbsvorsprung wäre nachhaltig. 40 DER FACHAUSSCHUSS werkstoffen o.ä.) deutlich von der Matrix unterscheidet. Auf diese Weise können interessante Kombinationen von Neue Fertigungskonzepte müssen her „METALLISCHE VERBUNDWERKSTOFFE“ typisch metallischen bzw. keramischen Eigenschaften Nachdem die Forschung lange Zeit an optimierten Eigen- (elektrische Leitfähigkeit und plastische Verformbarkeit schaften für metallische Verbundwerkstoffe gearbeitet Der DGM-Fachausschuss beschäftigt sich mit Metall- bzw. Verschleißfestigkeit und Steifigkeit) erzielt werden. hat, müssen jetzt Konzepte und technische Lösungen matrix-Verbundwerkstoffen (MMC) und Durchdrin- Eine der ersten Einsatzbereiche war das Space Shuttle- entwickelt werden, um MMCs unter Beibehaltung ihrer gungsverbundwerkstoffen (IPC) für Struktur- und Programm (1975). Heute sind auch die Automobilindustrie Vorzüge konkurrenzfähig herzustellen. Dabei sollte die Funktionsanwendungen. Im Fokus seiner Arbeit (Bremstrommeln, Antriebswellen, Zylinderauskleidungen Anwendung innovativer, pulvermetallurgischer Verfahren stehen vor allem Eigenschaftsverbesserungen im in Verbrennungsmotoren) sowie die Hochleistungselekt- ebenso im Fokus stehen wie überzeugende Konzepte für Bereich spezifische Festigkeit, Steifigkeit oder Ab- ronik (Stichwort „Al/SiC“) ein Anwendungsgebiet. die Herstellung und Bearbeitung von MMC-Halbzeugen riebfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und thermische sowie endkonturnaher Bauteile durch Flüssigphaseninfilt- Ausdehnung. Dabei deckt er mit seiner Expertise das Die Kombination aus Metallmatrix- und Keramikmat- ration. Nachhaltige Recyclingtechnologien sind eine eben- gesamte Spektrum von verschiedenen Herstellungs- rixwerkstoffen erlaubt neue komplexe Eigenschaftskom- falls wichtige Herausforderung der nächsten Jahrzehnte. verfahren über die Charakterisierung und Evaluierung der neuen Werkstoffe bis hin zur Modellierung binationen wie hohe Zähigkeit, hoher Thermoschock widerstand oder hoher Verschleiß mit hoher Kriechresistenz Um diese Ziele zu erreichen, wird eine verstärkte Zu- und Simulation sowohl der Struktur als auch des etwa im Turbinenbau, wo Metalle oftmals nur bedingt sammenarbeit von Materialexperten aus Metallkunde, Prozesses ab. einsetzbar und Keramiken zu spröde sind. Keramik, Chemie und Physik mit Maschinenbau-, Verfahrens- und Fertigungstechnikern vonnöten sein. Ebenfalls Der Fachausschuss vereint Fachpersonen vor allem In Zukunft könnten metallische Verbundwerkstoffe in der zwingen notwendig sind übergreifende, arbeitsteilige und aus der Forschung, aber auch aus der Industrie. Die Automobil- und Raumfahrttechnik zu innovativen Durch- langfristige Schwerpunktprojekte von Forschungsinstitu- Forschungsergebnisse seiner Mitglieder sind im in- brüchen bei Energieeffizienz und Ressourcenschonung ten mit Patenschaften der industriellen Anwender. ternationalen Vergleich absolut konkurrenzfähig und innovativ. Schnittstellen zu angrenzenden Gebieten wie der Pulvermetallurgie, dem Bereich der Hartmetalle oder der Gießereitechnik sollen in Zukunft ausgebaut werden. Ansprechpartner: Dr. Ludger Weber [email protected] 41 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Begründer einer neuen Ära. Titan 42 Titanlegierungen sind ein noch junger Werkstoff. Die Kosten senken, auf Einzigartigkeiten setzen ersten, Ende der 1940er Jahre entwickelten Legierungen In Deutschland wird Titanschwamm momentan aus Asien schrieben aber schon Luft- und Raumfahrtgeschichte: Sie und Osteuropa importiert. Hier gilt es, neue Verfahren zur ermöglichten den Eintritt in das Düsentriebwerkzeitalter Aufbereitung der beiden wichtigsten Titanerze Ilmenit und damit den Schritt in eine neue Ära. Inzwischen eta- (FeTiO3) und Rutil (TiO2) zu entwickeln. Um gegenüber blieren sich die Titanlegierungen aufgrund ihrer hohen der Konkurrenz aus Ostasien und Amerika langfristig be- spezifischen Festigkeit, ihrer ausgezeichneten Korrosions- stehen zu können, ist die Entwicklung neuer Legierungen beständigkeit, der hervorragenden Biokompatibilität und mit einem speziellen Eigenschaftsprofil als Alleinstellungs- anderer Eigenschaften zunehmend auch in der chemi- merkmal eine wichtige Herausforderung. Weiterhin ist Der DGM-Fachausschuss will mit industriellen und schen Industrie, der Bauindustrie, der Medizintechnik so- die geringe Materialausnutzung ein echtes Problem. Hier wissenschaftlichen Fragestellungen vor allem dazu wie im Offshore-, Energie- und Automobilbereich. Dabei könnten die additiven Fertigungsverfahren oder endkon- beitragen, die Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehun- steigt die weltweite Titanproduktion in jedem Jahr. turnahe Herstellverfahren wie der Feinguss zukünftig Ab- gen in den verschiedenen Legierungsklassen und hilfe schaffen. Anwendungsgebieten besser zu verstehen. Seine DER FACHAUSSCHUSS „TITAN“ Vertreter stammen aus der physikalischen, chemi- Da die energieintensive Rohstoffgewinnung Titan im Vergleich zu anderen Metallen relativ teuer macht, versucht Zur Verringerung der Kosten bedarf es in der Zukunft schen, material- und ingenieurwissenschaftichen die Forschung schon seit langem, die Kosten durch die einer detaillierten Untersuchung des Titanrecyclings und Forschung ebenso wie aus unterschiedlichen Be- Entwicklung neuer Herstellprozesse oder Möglichkeiten des Materialkreislaufs auch für hochwertige Bauteile. reichen der Industrie, die an Titanwerkstoffen for- zum Materialrecycling zu verringern. Weitere Arbeits- Auch das Oxidationsverhalten konventioneller Titan schen, diese herstellen, einsetzen oder beabsichti- schwerpunkte liegen bei der Entwicklung neuer Legierun- legierungen muss verbessert und Titan für den Einsatz bei gen, dies zukünftig zu tun. Darunter sind führende gen mit speziellen Eigenschaften, der Verbesserung der höheren Temperaturen „fit gemacht“ werden. Weitere In- Firmen der Medizintechnik sowie der Luftfahrt- und Oxidationsbeständigkeit oder einer leichteren spanenden novationsmöglichkeiten bestehen in Mischverbindungen Automobilbranche. Schnittstellen gibt es unter an- Bearbeitung. Würden in diesen Feldern entscheidende mit anderen Werkstoffen, um Multi-Material-Konzepte derem zur Beschichtungstechnik oder den additiven Durchbrüche erzielt, ließen sich Leichtbaukonzepte durch für den Leichtbau außerhalb der Luft- und Raumfahrt Fertigungsverfahren. die Verwendung von Titanwerkstoffen an Stelle von zu ermöglichen. In all diesen Feldern müssen neue FuE- Stählen oder Nickelbasis-Legierungen realisieren. Projekte greifen. Ihre aktuellen Entwicklungen stellen fast alle Mitglieder des Fachausschusses auf der alle vier Jahre stattfindenden Titan-Weltkonferenz mit etwa 700 Teilnehmern aus mehr als 50 Ländern vor, was eine internationale Vernetzung und Sichtbarkeit garantiert. Zudem bestehen bilaterale Kooperationen zu Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt. Ansprechpartner: Carsten Siemers [email protected] 43 Erfahrung · Kompetenz · Wissen 44 Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Für mehr Power. Werkstoffe der Energietechnik Die Umwandlung, der Transport und die Speicherung von Herstellung, Kombination und Anwendung geeigneter Energie gehören zu den drängendsten technologischen Werkstoffe und Werkstoffsysteme erforderlich. Herausforderungen unserer Gesellschaft. Eine nachhalti- Für den elektrischen Energietransport müssen neue Werk- ge, sichere und ressourcenschonende Energieversorgung stoffe für Leiter (Supraleiter), Isolationswerkstoffe sowie DER FACHAUSSCHUSS wird sich aber nur durch die Entwicklung entsprechender gute Wärmeableiter gefunden werden. Vergleichbare He- „WERKSTOFFE DER ENERGIETECHNIK“ Werkstoffe und Funktionsmaterialien gewährleisten las- rausforderungen bestehen auf dem Gebiet der Energie- sen. Dabei sind die in der Energietechnik verwendeten speicherung (Batterien, Latentwärmespeicher). Wichtig Der DGM-Fachausschuss will neue Erkenntnisse Werkstoffe, als auch die zu ihrer Anwendung benötigten wären zudem konzertierte Forschungsprogramme zur Um- auf diesem Gebiet fördern, den aktuellen Wissens Herstellungsverfahren, extrem weit gefächert. setzungs- und Anwendungsentwicklung von funktions standes vermitteln und den Erkenntnistransfer vo- gerechten Werkstoffen. Die Entwicklung der entsprechen- rantreiben. Hauptschwerpunkte liegen dabei auf Damit Deutschland seine Stellung als eine der energie- der technischen Systeme für die lokale oder großflächige Wärme-Werkstoffen, effizientesten und ökologischsten Volkswirtschaften der Anwendung bei Werkstoffsystemen zur elektrischen bzw. stoffen, elektrischen Energiespeichern und Werk- Welt behalten und die High-Tech-Strategie der Bundes- thermischen Energiespeicherung, zum elektrischen bzw. stoffen der elektrischen Energiewirtschaft. Seinem regierung in Hinblick auf den Megatrend „Energie“ auch thermischen Energietransport. Eine wesentliche Rolle interdisziplinären tatsächlich umgesetzt werden kann, führt an den innova- spielt hier auch die Frage der Netzversorgungssicherheit vereint der Fachausschuss Werkstoffwissenschaftler, tiven Entwicklungen der Materialwissenschaft und Werk- und -effizienz,. Einen weiteres Forschungsfeld bildet die Ingenieure, Physiker und Chemiker aus Hochschu stofftechnik kein Weg vorbei. mögliche Effizienzsteigerung bei der photokatalytischen len und Forschungszentren. ebenso wie Vertreter Energiewandlung und der Energiewandlung aus Sonnen-, aus Unternehmen. Ebenso gehören diesem Fachaus- Wasser- und Windenergie in Strom und Nutzwärme. schuss Vertreter von Unternehmen an, die neben den Sonne, Wasser, Wind und Wärme photokatalytischen Aufgabengebiet Werk entsprechend, benötigten Ausgangswerkstoffen auch die erforder- Die Erforschung von Grundlagenprozessen für neue lichen Geräte und Systeme produzieren können. Materialien sowie die Neuentwicklung von Funktions- All dies erfordert eine gemeinsame Anstrengung der be- werkstoffen wird derzeit intensiv gefördert. Ein deutli- troffenen Disziplinen und Branchen, Hochschulen und Un- cher Engpass herrscht allerdings bei der wirtschaftlichen ternehmen – eine Anstrengung, die die Entwicklung von Der Fachausschuss organisiert Workshops und Sym- und mengenmäßig ausreichenden Produktion der in der den Grundlagen über die Herstellung bis zur Anwendung posien auf Konferenzen wie den „European Con- Grundlagenforschung entwickelten Werkstoffe mit gro- gemeinsam vorantreibt. Dabei müssen alle Bemühungen gress and Exhibition of Advances Materials and ßem Anwendungspotential. Hier sind neue, originelle auch auf die geschickte Kombination von Werkstoffen in Processes“ (Euromat). Ein intensiver Austausch be- und interdisziplinäre Forschungsansätze insbesondere zur einem funktionierenden System ausgerichtet sein. steht zu BMBF, DFG sowie zur EU. Alle wichtigen Konferenzen werden vom Fachausschuss bedient. Momentan erstellt der Fachausschuss ein Thesen papier zu „Werkstoffherausforderungen für die Zukunft unserer Energieversorgung“, das die zukünftigen Entwicklungsbedarfe zusammenfasst. Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr. Peter Schaaf [email protected] 45 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Mit Poren punkten. Zellulare Werkstoffe 46 Zellulare Werkstoffe zeichnen sich durch einen hohen An- Funktionieren und Versagen teil geschlossener oder offener Poren unterschiedlicher Um zellulare Werkstoffe in neue Anwendungen zu inte- Form und Größen aus. Die Kombination solcher Struk- grieren, muss die Funktionsweise solcher Werkstoffe mit turen mit inhärenten Werkstoffeigenschaften führt zu komplexer Verbund- und maßgeschneiderter Mikrostruk- neuen Eigenschaftskombinationen, was wiederum völlig tur ebenso verstanden werden wie ein anwendungsspe- neue Anwendungen erlaubt. Vor allem im Leichtbau, aber zifisches Grenz- und Oberflächendesign, Haft-, Korrosi- auch im Maschinen-, Anlagen- und Gerätebau sowie in ons- und Versagensmechanismen, das Werkstoffverhalten Der DGM-Fachausschuss will modifizierte Eigen- Energie- und Umwelttechnik wird der Einsatz zellularer bei mehrachsigen Spannungszuständen oder die mecha- schaftsprofile zellularer Werkstoffe aller Stoffklassen Werkstoffe in Zukunft zu Bahn brechenden Innovationen nischen Eigenschaften auxetischer und nanozellularer für neue Anwendungen nutzbar machen. Ein Haupt- führen. Werkstoffe. Gleiches gilt für jene Prozesse, die zu einer augenmerk liegt dabei auf der Erforschung und Wei- homogeneren und reproduzierbaren Zellstruktur führen terentwicklung der Prozesse zur Erzeugung und vor Im Bereich der Wärmespeicherung und Wärmerück oder Poren unterschiedlicher Größenskalen in ein und allem der Funktionalisierung zellularer Werkstoffe. gewinnung haben zellulare Werkstoffe für alle Tempe- demselben Werkstoff generieren. Darüber hinaus müssen raturbereiche ein enormes Einsatzpotenzial, was auf die serientaugliche Fertigungsprozesse für die endformnahe Durch geeignete Charakterisierungsverfahren soll Funktionalisierbarkeit ihrer Oberfläche, die Einstellbarkeit Fertigung und für die effektive und präzise Bearbeitung ein möglichst breites Verständnis der zugrunde von thermischer und elektrischer Leitfähigkeit sowie einen sowie Strategien zur Funktionalisierung zellularer Werk- liegenden niedrigen Druckverlust bei Durchströmung zurückzuführen stoffe entwickelt sowie die Partikelschaumtechnologie Strukturbildung und Werkstoffeigenschaften erlangt ist. Für die effiziente Filtration von Metallschmelzen wer- erschlossen werden. werden. Zukünftig sollen zellularen Werkstoffen DER FACHAUSSCHUSS „ZELLULARE WERKSTOFFE“ Phänomene und Mechanismen von neue Anwendungsfelder erschlossen werden. den aktive und reaktive keramische Filter mit hoher Oberflächenfunktionalität und Hochtemperaturstabilität benö- Dazu ist es notwendig, die werkstoffklassenübergreifen- tigt. Auch für die Gebäudeisolation versprechen zellulare de Zusammenarbeit weiter auszubauen und Akteure aus Um seine Ziele zu erreichen, setzt der Fachausschuss Werkstoffe mit integrierten Wärmereflektoren viele Mög- Wissenschaft und Anwendung besser zu vernetzen. Ziel- neben vielfältigen Kooperationen mit Fach- und In- lichkeiten. Diese Innovationen sind mit einer deutlichen Re- führend wären gemeinsam initiierte Programme, bei de- dustrieverbänden sowie mit internationalen Part- duzierung von CO2-Emissionen verbunden; im Wirtschafts- nen die Förderung von Grundlagenforschung durch die nern intern auf ein interdisziplinäres Zusammen- standort Deutschland werden sich neue Geschäftszweige DFG oder die VW-Stiftung mit Entwicklungs- und Trans- spiel unterschiedlicher Bereiche aus Chemie, Physik, entwickeln. ferprogrammen des BMBF, des BMWi oder der AiF gekop- Material wissenschaft, Verfahrenstechnik und Ma- pelt werden. schinenbau sowie der Wirtschaft. An den zweimal jährlich stattfindenden Fachausschusssitzungen nehmen Vertreter aus Universitäten, Forschungs instituten sowie aus kleinen, mittelständischen und Großunternehmen teil. Ansprechpartner: Prof. Dr. Michael Scheffler [email protected] 47 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Verfahren und Methoden Wer neue Materialien mit neuen Eigenschaften schaffen will, kommt an der Analyse ihrer mikro- bzw. makroskopischen Strukturen ebenso wenig vorbei wie an der Überprüfung ihrer Tauglichkeit oder am Verständnis ihrer Produktion. Nicht nur in der Stahlindustrie erfordern neue Werkstoffe oftmals neue Gieß-, Walz- und Verarbeitungsverfahren, die wiederum Einfluss auf Neuheiten in der industriellen Weiterverarbeitung haben können – und die zudem die Herstellung von Produkten nicht selten effizienter, kostengünstiger und umweltverträglicher machen. Auch mit diesen Verfahren beschäftigen sich zahlreiche Fach- und Gemeinschaftsausschüsse der DGM. Sie bündeln Kompetenzen und bringen nicht zuletzt Vertreter aus der Grundlagenforschung und der industriellen Anwendung zusammen. Um im Dialog Innovationsbedürfnisse aufeinander abzustimmen und Forschungsfelder zu eruieren, die für die Zukunft unabdingbar sind. 48 49 Erfahrung · Kompetenz · Wissen DER FACHAUSSCHUSS „ADDITIVE FERTIGUNG“ 50 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Der Fachausschuss befindet sich mit thematisch verwandten Ausschüssen des VDI und des DVS, sowie In Lagen denken. Additive Fertigung Der DGM-Fachausschuss beschäftigt sich mit a llen den an der Normungsarbeit beteiligten Gruppen und Fragen entlang der Prozesskette: von der Roh- der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung in stän- stoffaufbereitung über die Bewertung, Charakte- digem Austausch. Neben der Vorbereitung eigener risierung und Qualifizierung von Werkstoffen und Tagungen werden auch weitere Konferenzen, etwa ihrer Eigenschaften bis hin zur Nachbehandlung des das „International Symposium Materials Science and Bauteils. Mitglieder sind deshalb Wissenschaftler Technology of Additive Manufacturing”, unterstützt. ebenso wie Rohstoff- und Anlagenhersteller, Produzenten und Anwender aus der Industrie, wobei die Ansprechpartner: Die schichtweise Konstruktion von Bauteilen auf der Basis Optimierung über die gesamte Prozesskette hinweg ist da- komplette Werkstoffpalette (Kunststoffen, Metalle, Prof. Dr. Wolfgang Kollenberg von digitalen 3D-Daten ermöglicht beinahe beliebige geo- bei unabdingbar, um „das richtige Material an die richtige Keramiken, Gläsern etc.) eine Rolle spielt. [email protected] metrische Formen. Die Vorteile liegen dabei auf der Hand. Stelle zu bringen“. Gerade auf dem Gebiet des „Multi- Einerseits kann durch Additive Fertigung viel Material Material-Design“ besteht ein dringender Forschungs (und damit auch Gewicht) eingespart werden, anderer- bedarf. Der effektive Erkenntnistransfer in die industrielle seits ergeben sich für Konstrukteure und Werkstofftechni- Praxis muss in den nächsten Jahren ein weiterer Schwer- ker völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten. Deshalb hat die punkt sein. Um die gesamte Prozesskette mit einbeziehen Additive Fertigung in den letzten Jahren etwa in der Luft- zu können, sind Aspekte der Materialwissenschaften und und Raumfahrtindustrie oder der Energie- und Medizin Werkstofftechnik, der Chemie, des Anlagenbaus und der technik zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ingenieurwissenschaften zu berücksichtigen. Wenn es gelingt, durch Additive Fertigung Ersatzteile in Um die international gute Position Deutschlands beizu- einer mit heutigen Standardverfahren hergestellten Qua- behalten und auszubauen, sind in Zukunft verstärkte For- lität herzustellen, hätte dies für Lagerhaltung, Transport schungsanstrengungen wichtig, unter anderem auch zur und Kundenservice weitreichende Folgen. Deutschland prozessbegleitenden Qualitätssicherung, Material effizienz ist in diesem Bereich schon sehr gut aufgestellt. Trotzdem und funktionsangepassten Werkstoffeinsatz sowie zur sind zukünftig noch zahlreiche Probleme zu meistern. werkstoffgerechten Konstruktion und Auslegung neuer, additiv hergestellter Strukturen (Gitterstrukturen, Multi- „Das richtige Material an die richtige Stelle“ Material-Strukturen o.ä.). Hierzu bedarf es abgestimmter Um die hohen Erwartungen an Additive Verfahren zu F&E-Programme, bei denen sowohl die Deutsche For- erfüllen, ist die Bereitstellung und Auswahl geeigneter schungsgemeinschaft (DFG) als auch das Bundesminis Werkstoffe mit gewünschter Eigenschaftspallette ein ent- terium für Bildung und Forschung (BMBF) sowie das scheidender Schlüssel für den technischen Durchbruch. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) in- Ein besseres wissenschaftlich-technisches Verständnis volviert werden sollten. des Material- und Werkstoffverhaltens und dessen 51 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. An der Grenze. Funktionalisierung von Oberflächen Strukturierte Lagerlaufflächen zur Reibreduktion, antimik- Anwendung umzusetzen, sollte in den nächsten Jahren robielle Kupferoberflächen oder bioverträgliche Beschich- nicht nur der wissenschaftliche Aufwand in der Grund- tungen mit Titandioxid: Maßgeschneiderte Oberflächen lagenforschung verstärkt werden. Auch die Entwicklung spielen in vielen Bereichen des Alltags eine bedeutende neuer Herstellverfahren für zwei- und dreidimensionale Rolle – insbesondere, wenn es sich um optische, antimi- Modelle ist von zentraler Bedeutung. Hier muss sich der krobielle oder mit Reibung verbundene („tribologische“) Blick von den Funktionsprinzipien hin zu den Produktions- Anwendungen handelt. Die Spannweite reicht dabei vom methoden weiten. 52 Automobil- und Flugzeugbau über die Nahrungsmittel industrie und Medizintechnik bis hin zur Biotechnologie Darüber hinaus gilt es, die momentan noch sehr hohen – und die Produktpalette wird immer größer. Intelligent Kosten in der Herstellung funktionaler Oberflächen mit- funktionalisierte Oberflächen sind also von entscheide der tels Mikro- bzw. Nano-Strukturierungsverfahren stark zu DER FACHAUSSCHUSS „FUNKTIONALISIERUNG ökonomischer und gesellschaftlicher Bedeutung. reduzieren. Erste Schritte sind hier schon getan, doch sind VON OBERFLÄCHEN MITTELS MIKRO/NANO- diese bei weitem noch nicht ausreichend. Insbesondere STRUKTURIERUNGSVERFAHREN“ In den letzten Jahrzehnten hat die Forschung zahlreiche sind intelligente Ansätze gefragt, die die wissenschaftli- Erkenntnisse im Mikro- bzw. Nanometerbereich gewon- che und technologische Wettbewerbsfähigkeit auch im Der DGM-Fachausschuss bündelt dabei die Expertise und nen. Hier sind in naher Zukunft neue Einsatzfelder zu internationalen Vergleich sichern helfen. Aktivitäten von Materialforschern in diesem und angrenz enden Bereichen funktionalisierter Oberflächen. Mitglieder erwarten. Auf seinen Erfahrungen im Maschinenbau basierend, hat Deutschland auf diesem Feld weltweit eine Um die kommenden Bedürfnisse zu eruieren, bedarf es rekrutieren sich aus dem Bereich der Grundlagenforschung Spitzenposition erobert. Diese gilt es zu sichern und aus- einer verstärkten Zusammenarbeit von Wissenschaft und ebenso wie aus speziellen Bereichen der Entwicklung tech- zubauen – auch im Hinblick auf neue, mit dem Themen- deutscher Industrie, aber auch Forschungsvorhaben, nologischer Methoden zur Oberflächenstrukturierung und feld verbundene Arbeitsplätze. Denn die Konkurrenz aus die Grundlagenforschung und Anwendung zusammen Oberflächencharakterisierung sowie aus der Industrie. den USA und dem Rest Europas ist groß. bringen – etwa in Form von Schwerpunktprogrammen der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Auch In Zukunft will der Fachausschuss ergänzende Arbeitskrei- Von der Funktion zur Produktion staatliche Forschungsförderer wie das Bundesministerium se etwa zur Strukturierung von Oberflächen zur Reibungs Um die neuen Erkenntnisse im Bereich funktionalisier- für Bildung und Forschung (BMBF) oder Bundesministeri- steuerung mittels Lasertechnik oder im Bereich der ter Oberflächen möglichst bald in Produkten für die ums für Wirtschaft und Energie (BMWI) sind hier gefragt. „Rolle-zu-Rolle-Fabrikation“ ins Leben rufen, F orschungsund Entwicklungsvorhaben zwischen Universitäten, Forschungsinstituten und der Industrie anstoßen und den Nachwuchs im Bereich Oberflächenfunktionalisierung noch gezielter als bisher fördern. Ansprechpartner : Prof. Dr.-Ing. Andrés Fabián Lasagni [email protected] 53 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Gefüge und Strukturen. Materialographie Um Werkstoffe immer besser an ihre Einsatzbedingungen Besser berechnen lernen anpassen und neue Anwendungen für sie erschließen zu Im können, müssen Methoden und Geräte kontinuierlich mikroskopie (REM) mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB), der weiterentwickelt werden, die zur Gefüge- und Struktur Atomsondentomographie und der 3D-Mikroskopie, aber untersuchung von Materialien dienen. Diese Aufgabe auch bei der digitalen Bildanalyse sowie auf dem Gebiet erfüllt die Materialographie. Dies beinhaltet Proben der computergesteuerten Mikroskope und der Röntgen- präparationsverfahren, verschiedenste mikroskopischen mikroskopie konnten in den letzten Jahren zahlreiche Methoden (einschließlich der Elektronenmikroskopie und Durchbrüche erzielt werden. In den nächsten Jahren sind der hoch auflösenden Röntgen-Computertomographie) trotzdem noch viele Herausforderungen zu meistern. So sowie die Analyse, Bewertung und Dokumentation der muss die Automatisierte Multiskalen-3D-Mikroskopie für mikroskopischen Untersuchungsergebnisse. die Materialographie ebenso weiter entwickelt werden Bereich der hochaufgelösten 54 Rasterelektronen wie jene Möglichkeiten, die zur Erstellung (physikalischer) Im Klimaschutz, aber auch auf den Gebieten der Modelle zur Beschreibung der Gefüge-Eigenschafts Ressourcen effizienz und der Nachhaltigkeit leistet die korrelationen führen können: Auf diesen Gebieten gibt es Materialographie wichtige Beiträge. Nicht zuletzt dient sie noch große Potenziale für die Forschung. dazu, durch eine Weiterentwicklung der Verständnisbasis von Materialien die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie Zur Weiterentwicklung der Materialographie sind in die- auf den unterschiedlichsten Feldern zu sichern – und da- sem Rahmen Forschungsprojekte zum Thema Methoden mit den Wohlstand der Gesellschaft und den Wirtschafts- entwicklung für wichtige Querschnittsthemen zwingend standort Deutschland. notwendig: etwa zur Verbesserung mikroskopischer Methoden oder zur Entwicklung physikalischer Modelle, mit denen sich Eigenschaften aus der chemischen Zusammensetzung und dem Gefüge besser als bisher berechnen las- DER FACHAUSSCHUSS MATERIALOGRAPHIE Deutschen Keramischen Gesellschaft e.V. (DKG) oder dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI). sen. Auch in der Simulation der Entstehung von Gefügen sowie der Berechnung der Eigenschaften aus dem Gefüge Der DGM-Fachausschuss hat es sich zum Ziel existiert großer Forschungsbedarf. Hierzu müssen inter- gesetzt, seinen Gegenstandsbereich auf viel fache Zu den besonders wichtigen Aufgaben des Fach- disziplinärer Projektteams geschaffen und vor allem auch Weise Arbeits- ausschusses zählt die wissenschaftliche Planung der IT-Kompetenz mit eingebunden werden. kreisen ermöglicht und koordiniert er hierzu den jährlichen Metallographie-Tagung. Die meisten Ar- regel mäßigen Austausch unter Materialographen, beitskreisleiter gehören zudem zum wissenschaft- Werkstoffprüfern, Materialwissenschaftlen, Maschi lichen Beirat der Zeitschrift „Praktische Metallo nen bauern, Physikern, Chemikern, Mathematikern graphie“. weiter zuentwickeln. In seinen und Informatikern auf der einen sowie Vertretern aus der werkstoffverarbeitenden Industrie, dem Ansprechpartner: Automobil- und Maschinenbau, der Luft- und Raum- Prof. Dr. Gerhard Schneider fahrt, Energie- und Medizintechnik auf der anderen [email protected] Seite. Schnittstellen bestehen zudem unter anderem zum Stahlinstitut VDEh, dem Deutschen Verband für Materialforschung und –prüfung e.V. (DVM), der 55 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Walzen, strahlen, fester machen. Mechanische Oberflächenbehandlung Walzen, strahlen, fester machen. Mechanische Oberflä- Immer weiter leichter machen chenbehandlung wie Kugelstrahlen und Festwalzen sind Wenn es zukünftig gelingt, die Festigkeit eingesetzter wichtige industrielle Verfahren, die dazu dienen, oberflä- Werkstoffe durch mechanische Oberflächenbehandlung chennahe Bereiche zu verfestigen und die im Einsatz nö- weiter zu verbessern, sind vor allem im Leichtbau maß- tige Druckeigenspannung von Produkten zu verbessern. gebliche Ergebnisse zu erwarten. Dies hätte erhebliche Bei verschiedenen Komponenten des Maschinen und Einsparungen von Energieaufwendungen im industriellen Anlagenbaus, der Automobiltechnik oder der Luft- und Betrieb von Maschinen oder Anlagen zur Folge. Vor allem Raumfahrttechnik steigert dies die Schwingfestigkeit und aber käme diese Entwicklung beim Einsatz in Autos oder verlangsamt den Prozess des Verschleißens. Flugzeugen dem Hightech-Megatrend der Mobilität zu gute. Hier könnten Ressourcen deutlich effektiver einge- DER FACHAUSSCHUSS Was Fragen zu Einflüssen von Fertigungsprozessen auf die setzt werden – ein weiterer entscheidender Wettbewerbs- „MECHANISCHE OBERFLÄCHENBEHANDLUNG“ Bauteilrandschicht angeht, ist Deutschland auch im welt- vorteil für den Wirtschaftsstandort Deutschland. 56 Der DGM-Fachausschuss beschäftigt sich mit wissen- weiten Vergleich wissenschaftlich herausragend. Gleiches gilt für eine Forschung, die die Eigenschaften von Bau- Wichtige Herausforderungen liegen dabei nicht zuletzt schaftlichen und industriellen Fragen des Bereichs. teilen optimieren will, die einer erhöhten Belastung etwa darin, das Bewusstsein für die Vorteile einer mechanischen Aber er befasst sich auch mit alternativen Verfah- durch Schwingung, Reibung oder Korrosion ausgesetzt Oberflächenbehandlung gerade bei jenen Prozessen zu ren wie Ultraschallstrahlen, Laserschockverfestigen sind. Dadurch hat sich Deutschland in einem Bereich profi- schärfen, bei denen die Idee des „Surface Engineering“ oder kavitationsgestützte Varianten sowie deren liert, der auch international auf ein stetig steigendes Inte- momentan noch nicht im Zentrum steht, Bauteileigen- Modifikation mittels Vorspannung bzw. thermischer resse stößt. Stand in der Vergangenheit das Kugelstrahlen schaften durch die Verfahren aber deutlich verbessert Behandlungen. Seine Treffen finden halbjährlich und dessen Bewertung wissenschaftlich im Vordergrund, werden können – wie etwa deren Lebensdauer unter abwechselnd bei engagierten Industriemitgliedern geht es heute eher um einen Gesamtblick auf sämtliche mechanischer Belastung. In diesem Umfeld wird eine dif- oder an Hochschulinstituten statt. Mitglieder sind Verfahren der mechanischen Oberflächenbehandlung, ferenzierte Untersuchung der Robustheit der Verfahren Anwender etwa aus dem Automobil-, Flugzeug- und also um einen integralen Ansatz im „Surface-Enginee- gegenüber Einflüssen in industriellen Prozessketten und Anlagenbau, Anlagen- und Strahlmittelhersteller, ring“. Hier liegt ein wichtiger Forschungsansatz für die unter wirtschaftlichen Aspekten vonnöten sein. Dabei Dienstleister sowie Hochschulpartner, die mit den nächsten Jahre. sind auch Messtechniker gefragt, eine Sensorik für die unterschiedlichen Verfahren zu tun haben. Überwachung des Prozessergebnisses entwickeln. Beide Aspekte erfordern mehr Aktivitäten in Wissenschaft und Der Fachausschuss ist sehr gut vernetzt. Ausgezeich- angewandter Forschung. nete Kontakte bestehen unter anderem zur Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. (AWT) oder zur Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA). Ansprechpartner: Prof. Dr. Volker Schulze [email protected] 57 Erfahrung · Kompetenz · Wissen 58 Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Im Charaktertest. Strahllinien Dank der weltweit existierenden Synchrotron- und Neut- Sensibel machen für die Möglichkeiten ronenstrahlungsquellen steht eine immer größer werden- Während die Synchrotronstrahlung bei dieser Methode de Anzahl von Messeinrichtungen für die Materialcharak- Informationen über den oberflächennahen Bereich des terisierung zur Verfügung. Diese so genannten Strahllinien Werkstoffs liefert, liefert Neutronenstrahlung Informa- DER FACHAUSSCHUSS („Beamlines“) sind hochspezialisierte Messlabore, die als tionen aus dem Inneren des Werkstoffs. Kennt man die „WERKSTOFFCHARAKTERISIERUNG Messsonde Neutronen- oder Synchrotronstrahlung mit mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs, so lassen MIT STRAHLLINIEN“ deren spezifischen Eigenschaften nutzen. Im Unterschied sich dessen Dehnungsdaten aus den Messergebnissen be- zu Laborquellen verfügen die Strahllinien über eine sehr rechnen. Der DGM-Fachausschuss thematisiert die Nut- zung von Großforschungsstrahlungsquellen zur hohe Strahlungsintensität, die schnelle Messungen zulässt – und so zum Beispiel In-Situ-Beobachtung der Ent- Bisher kommen Strahllinien vor allem in der Grundla- Charakterisierung von Werkstoffen. Er will über stehung von Metallschäumen ermöglicht. genforschung zum Einsatz. Im Bereich der anwendungs- Neuentwicklungen (Quellen, Beamlines, Probenum- nahen Werkstoffuntersuchungen sind sie noch eher die gebungen etc.) informieren und eine Plattform für Die Strahllinien verfügen in der Regel über optische Ele- Ausnahme. Um ihre Möglichkeiten besser ausschöpfen zu Projektpartnerschaften bzw. Patenschaften mit der mente (Monochromatoren, Spiegel, Gitter, Kristalle) mit können, müssen Forschungsförderer, Strahllinienbetreiber Industrie im Bereich der Verbundforschung zu neuen deren Hilfe die Energie der Strahlung auf die jeweilige sowie Gutachter für Strahlzeitanträge für die Bedürfnisse Methoden der Materialanalyse sein. Ferner versteht Messaufgabe angepasst werden kann. Zumeist sind sie der Materialwissenschaften in diesem Bereich stärker als er sich als Beratergremium für mögliche Anwendun- für spezifische Werkstoffuntersuchungen wie Sychrotron- bisher sensibilisiert werden. Eine wichtige Vermittlerfunk- gen von Strahllinien im MatWerk-Bereich. In den Sit- und Neutronen-Radiographie bzw. Sychrotron- und Neu- tion will dieser DGM-Fachausschuss leisten. zungen und den vom Fachausschuss organisierten tronen-Computertomographie konfiguriert. Ein weiteres Symposien treffen sich überwiegend Mitarbeiter Beispiel ist die Eigenspannungsanlyse mittels Synchro- von Universitäten und Forschungseinrichtungen aus tron- und Neutronen-Diffraktometrie, die Auskunft über ganz Europa, die unterschiedliche Analysemethoden die Kristallgitterdehnung als Folge mechanischer äußerer zur Materialcharakterisierung repräsentieren, sowie und innerer Lasten gibt. Vertreter industrieller Forschung. Der Fachausschuss versteht sich als Vermittler zwischen Grundlagenforschung und industriellen Belangen. In letzterem Falle vermittelt er zwischen Nutzern und Betreibern von Strahllinien, etwa durch Informationen zu Technik und Ausstattung verfügbarer Strahllinien oder zu etablierten und neuen Messverfahren. Ansprechpartner: Dr. Bernd R. Müller [email protected] 59 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Qualität aus einem Guss. Stranggießen Stranggießen bezeichnet eine Fertigungstechnik, bei der Induktionsöfen und in der Kokille zu verbessern. In diesem mit Hilfe von wiederverwendbaren Formen (Kokillen) Rahmen gewinnt auch die Vorhersage von Gefüge- und vorgefertigte Produkte (Halbzeuge) wie Bleche, Stangen, Werkstoffeigenschaften an Bedeutung. Dazu sind ver- Rohre oder Platten aus verflüssigten Eisen- und Nicht besserte Kenntnisse der Stoffwerte und von Randbedin- eisenlegierungen wie Kupfer oder Aluminium hergestellt gungen wie beispielsweise des Wärmeübergangs in der werden können. Primär- und Sekundärkühlung unabdingbar. 60 DER FACHAUSSCHUSS „STRANGGIESSEN“ In der Fertigungstechnik sind Halbzeuge die mit Abstand Zudem müssen in den nächsten Jahren verfeinerter Mo- verbreitetste Form für Metallwerkstoffe – und damit von delle zur Beschreibung der Vorgänge auf der Mikroebene In seinen vier Arbeitskreisen beschäftigt sich der enormer wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Bedeu- (Kristallwachstum, Steigerungen, Porenbildung, Riss DGM-Fachausschuss mit allen Fragen rund um das tung. Trotzdem reduziert sich die Anzahl ihrer Produzen- entstehung, Rissausbreitungn etc.) entwickelt werden Stranggießen mit ofenabhängiger und ofenunab- ten im Zuge der Globalisierung dramatisch. Um hier die – ebenso wie Maßnahmen, die die Erkenntnisse auf der hängiger Kokille (Aluminium bzw. Kupfer). Ein wei- ökonomische Stellung Deutschlands zu wahren, ist die Makroebene anwendbar machen. Experimente sollen den terer Gegenstand ist der relativ neue Prozess des ständige Verbesserung der Verfahren vom Schmelzen bis Wärmeübergang in der Sekundärkühlzone beim Strang- Sprühkompaktierens („Spray Forming“) vor allem zum Gießen unter ökonomischen, aber auch unter Um- gießen und damit jene Einflüsse untersuchen, die Ober- auf Aluminium-, Kupfer- und Stahlbasis, der beson- welt- und Qualitätsaspekten entscheidend. flächenrauigkeit, Legierung oder Oberflächentemperatur ders für die Herstellung von Sonderwerkstoffen ge- betreffen. eignet und deshalb nicht sonderlich verbreitet ist. Besser simulieren Der Fachausschuss bringt Fachleute aus Produkti- Um den Einflusses von Gießparametern auf Tempera- Um sich den kommenden Herausforderungen zu stellen, onsbetrieben, Zuliefererfirmen für Feuerfestmateri- tur- und Spannungsfelder sowie die daraus resultierende sollten in Forschungs- und Entwicklungsvorhaben ge- alien, Schmelz- und Gießöfen, Gießanlagen, Mess Wirkung auf Erstarrung, Geometrie, Gussfehler, Gefü- meinsame Projekte von Universitäten, Forschungsinstitu- geräte oder Hilfs- und Betriebsstoffe mit Experten ge und Entmischungen (Seigerungen) zunehmend bes- ten und der Industrie initiiert werden, die auch Energie- aus Hochschulen und Universitäten zusammen: bei ser zu verstehen, zu optimieren und auch die Kosten effizienzaspekte mit einbeziehen. Darüber hinaus ist der Fachdiskussionen, im praxisnahen Erfahrungsaus- für aufwändige Versuche zu reduzieren, ist es zukünftig Erfahrungsaustausch zwischen Gießern aus der betrieb- tausch und nicht zuletzt bei gegenseitigen Betriebs- wichtig, die Simulation etwa der Temperatur- und Span- lichen Praxis und industrieller Entwicklung einerseits und besichtigungen. nungsfelder sowie die Modellierung der elektromagneti- der universitären Forschung ebenso zwingend wie ein schen Strömungsbeeinflussung metallischer Schmelzen in Vergleich verschiedener Verfahren in den Betrieben. Konkret erarbeitet der Fachausschuss unter anderem an einem Gussfehlerkatalog mit konkreten Abhilfemaßnahmen sowie einer „Gießer-Fibel“ zur Schulung von Personal in Gießereibetrieben: von „A“ wie Arbeitssicherheit bis „Z“ wie Zuschlagstoffe. Ansprechpartner: Dr. Hilmar R. Müller [email protected] 61 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. In Formen bringen. Strangpressen 62 Das Strangpressen ist ein Umformverfahren zur Produk- Exakter simulieren tion von Stäben, Drähten, Rohren und Profilen, bei dem Eine wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung Metalle (Aluminium, Kupfer etc.) bzw. deren Legierungen neuer Produkte besteht dabei in den nächsten Jahren sowie bestimmte Kunststoffe durch ein formgebendes darin, den Strangpressvorgang ebenso wie die Eigen Werkzeug gepresst werden. Gerade bei Strangpress schaften der hierdurch erzeugten Strangpressprodukte profilen ist der Bedarf vor allem im Automobilbereich in besser zu simulieren. Hierzu wird es nötig sein, die Fort- letzter Zeit zunehmend gestiegen. In der Elektrotechnik schritte in der Prozesssimulation zukünftig noch stärker in Der DGM-Fachausschuss beschäftigt sich mit wis- und dem Maschinenbau werden Strangpressprofile etwa die Entwicklungsprozesse mit einzubeziehen – so, wie es senschaftlich und industriell relevanten Fragen zum als Rippenkühlkörper, Trägerprofile eingesetzt. In der Me- in anderen Fertigungsbereichen wie Gießen, Schmieden Strangpressprozess, aber auch mit neuen Anwen- dizintechnik haben sich stranggepresste Profile etwa für oder in der Blechumformung bereits heute erfolgreich ge- dungen stranggepresster Produkte. Er versteht sich körperresorbierbare Materialien bewährt. In allen Berei- schieht. als Plattform für den Erfahrungsaustausch zwischen DER FACHAUSSCHUSS „STRANGPRESSEN“ Strangpresswerken, Zulieferern sowie Hochschu- chen war die erfolgreiche Zusammenarbeit der Werkstoff entwicklung und der Entwicklung der Werkzeugtechnolo- Die Fortschritte, die in den letzten Jahren bei der genauen len und Forschungseinrichtungen, die zum Teil an gie entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung. Beschreibung der realen Reibungsverhältnisse in der Um- eigenen Strangpressanlagen forschen können. Die formzone erzielt worden sind, sind sehr ermutigend und Industriemitglieder kommen aus der Produktion, eröffnen neue Perspektiven für neue Produkte. der Qualitätssicherung und der Produkt- bzw. Ver- Wegen der vielen Einsatzmöglichkeiten von Strangpressprodukten unter anderem auch im Leichtbau wird der fahrensentwicklung, aber auch aus dem Maschinen-, Bedarf auch in Zukunft weiter steigen. Dabei ist zu erwar- Anlagen- oder Werkzeugbau. ten, dass durch die Weiterentwicklung der Umformverfahren auch für Verbundwerkstoffe neue Einsatzgebiete Bei allen Projekten, an denen sich der Fachausschuss erschlossen werden können. Um die damit verbundenen beteiligt ist oder unterstützend mitwirkt, geht es um Aufgaben zu lösen – und damit die Wettbewerbsfähigkeit die Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit von Strang- Deutschlands in diesem Bereich zu sichern –, wird auch pressprodukten. So werden in Benchmarks spezifi- in Zukunft eine enge Zusammenarbeit zwischen der In- sche Energieverbräuche, Werkzeugstandzeiten etc. dustrie und Forschungseinrichtungen bzw. Hochschulen untereinander verglichen, um Strangpresswerke nötig sein. zu befähigen, sich am aktuellen Stand der Technik zu orientieren. Bei Forschungsanträgen unterstützt der Fachausschuss die Antragsteller bei der praxisrelevanten Zielsetzung sowie bei der Diskussion der Ergebnisse. Auf diese Weise wird eine enge Zusammenarbeit zwischen Forschung und Praxis gepflegt. Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Horst Gers [email protected] 63 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Von entscheidender Bedeutung. Texturen 64 In der Kristallografie beschreibt die „Textur“ eines Mate- Vorstoß zu den Nanometern rials, wie sich die einzelnen Körner (Kristallite) in einem Um den in sie gesetzten Erwartungen gerecht zu wer- vielkristallinen Festkörper zueinander orientieren. Für den, muss sich die Forschung im kommenden Jahrzehnt zahlreiche Materialien und Werkstoffe ist dies von zen- verstärkt mit Texturmessungen mittels Synchrotron- und traler Bedeutung, weil sich ihre magnetischen und me- Neutronenstrahlung befassen, die „in-situ“, etwa wäh- chanischen Eigenschaften (etwa die Verformbarkeit von rend der Verformung oder thermischen Behandlung an Metallen beim Walzen) aus dieser kristallinen Ausrichtung massiven Proben, durchgeführt werden können. Gleiches ergeben – und sich bei entsprechender Behandlung dem gilt für die bereits stark etablierte Elektronenbeugung im entsprechend ggf. auch verändern lassen. Im Bereich der Rasterelektronenmikroskop, mit deren Hilfe sich Wechsel- Der DGM-Fachausschuss will wissenschaftliche und Materialtechnologie geben Analysen der Texturänderung wirkungen zwischen lokalen Texturen und der Mikrostruk- industrielle Fragen aufgreifen, die mit Texturen nach thermo-mechanischer Behandlung wertvolle Infor- tur besser verstehen ließen. Eine weitere Herausforderung polykristalliner Stoffe aller Art zusammenhängen, mationen über die zugrundeliegenden Festkörperprozes- sind Texturmessungen an Materialien mit Submikro- bis namentlich zur Messtechnik, zur mathematischen se (Kristallisation, plastische Verformung, Rekristallisation, Nanometerkorngrößen, die sich durch verschiedene neue Datenanalyse, zum Textur-Eigenschaften-Verhältnis Kornwachstum bzw. Phasentransformationen). Methoden der Umformung herstellen lassen. Außerdem oder zur Herstellung und Anwendung texturierter gilt es, die Textursimulationen stark zu verbessern, um Werkstoffe. Er vereint Mitglieder aus der Material- Da die Textur maßgeblich die Eigenschaften von poly tragfähige Textur- und Eigenschaftsvorhersagen machen wissenschaft, dem Maschinenbau, der Physik und kristallinen Materialien bestimmt, ist die Texturforschung zu können. der Geowissenschaft mit Industrievertretern, die DER FACHAUSSCHUSS „TEXTUREN“ sich hauptsächlich mit der Metallherstellung und seit jeher von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Im internationalen Vergleich ist sie in Deutschland bereits sehr Bislang war die Texturforschung hauptsächlich grundla- Metallverarbeitung sowie mit der Texturmessung gut aufgestellt. Wenn es in den nächsten Jahren und Jahr- genorientiert ausgerichtet. In Zukunft sollte prinzipiell eine und Texturanalyse beschäftigen. zehnten zudem gelingt, bestimmte Herausforderungen stärkere Verbindung mit der Industrie angestrebt werden. zu meistern, ließen sich neue Materialien mit optimierten In der Texturforschung hat sich in Deutschland unter Eigenschaften herstellen, die in unterschiedlichsten Indus- reger Beteiligung verschiedener Mitglieder des Fach- triebereichen wie der Automobil- und Luftfahrttechnik ausschusses eine wissenschaftliche Community mit eingesetzt werden und damit zum hiesigen gesellschaft internationaler Ausstrahlungskraft etabliert. Dies lichen Wohlstand maßgeblich beitragen könnten. zeigt sich alle drei Jahre auf der „International Conference on Textures of Materials“ (ICOTOM), sowie auf zahlreichen Symposien anderer internationaler Tagungen, die sowohl Wissenschaftler als auch Industrievertreter genannter Sparten aus der ganzen Welt anziehen. Ansprechpartner: Prof. Dr. Werner Skrotzki [email protected] 65 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. Fürs Material erwärmen. Thermodynamik der Werkstoffe 66 Die Eigenschaften eines Werkstoffs werden neben seiner Mehr Vorhaben, mehr Lehrstühle chemischen Zusammensetzung dezidiert auch von seiner Um diese Ziele zu erreichen, müssen zentrale Modellie- Mikrostruktur (dem „Gefüge“) bestimmt, das sich in der rungs- und Simulationsmethoden, die der Bestimmung Produktionskette bildet. Um Eigenschaften optimal her- und Planung von wenigen notwendigen Schlüssel auszubilden, muss die für das Gefüge relevante Thermo- experimenten der Thermodynamik und Kinetik dienen, DER FACHAUSSCHUSS „THERMODYNAMIK, KINETIK dynamik und Kinetik verstanden und beherrscht werden. weiterentwickelt und kombiniert werden. Insbesondere UND KONSTITUTION DER WERKSTOFFE“ Dies gilt insbesondere für hochkomponentige W erkstoffe, das „Integrated Computational Materials Engineering“ wie sie heutzutage in der Mehrzahl der technischen An- (ICME) wird hier eine zunehmende Rolle spielen und die Der DGM-Fachausschuss will die interdisziplinäre wendungen zum Einsatz kommen, darunter komplexe kostensparende Werkstoff- und Prozessentwicklung un- Diskussion zu Fragen rund um die Thermodynamik metallische Legierungen, technische Keramiken oder Ver- terstützen. bei Werkstoffen befruchten. Er steht in enger Kooperation mit der „Alloy Phase Diagramm International bundwerkstoffe. Weitere Zukunftsthemen sollten sich mit der Thermo Commission“ (APDIC), der „Scientific Group Ther- Durchbrüche bei der Wärmemengenmessung (Kalorime- dynamik der Defekte bzw. der metastabilen Systempha- modata Europe“ (SGTE) sowie dem „Materials trie) von Lithium-Batterien im Betrieb werden es schon sen sowie der Thermodynamik von Grenzflächen und Science International Team“ (MSIT). Seine Mitglieder bald erlauben, „Thermische Management-Systeme“ so- Grenzflächenphasen entstammen wie innovative Sicherheitskonzepte für die mobile und forderung ist auch die Entwicklung experimenteller der Werkstoff-Thermodynamik, der Phasenfeld- stationäre Energiespeicherung maßgeschneidert zu ent- Kalorimetrie-Analyseverfahren für Batterien, Nanomate- Methoden sowie der Diffusionsforschung. Sie orga- wickeln: Damit werden Meilensteine bei der Elektromo- rialien oder im Bereich der Dünnschichttechnik. Für die nisieren Symposien bei zahlreichen internationalen bilität und im Bereich der erneuerbaren Energien gesetzt. Untersuchung von komplexen Werkstoffsystemen wer- Konferenzen. Dies sind nur zwei Beispiele für die vielen Beiträge, die den zukünftig kombinatorische Methoden zur Werkstoff die zukünftige Thermodynamik-Forschung für den gesell- untersuchung und für den Aufbau von Materialbibliothe- Durch Doktor- und Masterarbeiten, Sommerschu- schaftlichen Wohlstand und das Wirtschaftswachstum ken eine wesentlich größere Rolle spielen. len und Workshops im Rahmen des DFG-Schwer- befassen. Eine große Heraus- der Phasendiagramm-Forschung, punktprogrammes „Werkstoffe mit neuem Design Deutschlands zu leisten vermag. Das langjährige Problem in Deutschland bzw. im deutsch- für verbesserte Lithium-Ionen-Batterien“ oder die sprachigen Raum ist, dass zu wenige wissenschaftliche DFG-Nachwuchsakademie Arbeitsgruppen die Thermodynamik und Kinetik der Kinetik in mehrkomponentigen metallischen und Werkstoffe aktiv im Schwerpunkt betreiben. Damit ein- keramischen Werkstoffen“ will der Fachausschuss hergehend sind auch die universitäre Ausbildung und die die Situation des Nachwuchses verbessern. Zukünf- Nachwuchssituation in diesem Bereich eher unbefriedi- tig sollen zudem Computer-Datenbanken als Grund- gend. Wichtig wäre hier die Einrichtung von (weiteren) lage für Gefüge-Simulationen zur Werkstoff- und Lehrstühlen zu speziellen Themen. Prozessoptimierung entwickelt werden. „Thermodynamik Ansprechpartner: Prof. Dr. Hans Jürgen Seifert [email protected] und 67 Erfahrung · Kompetenz · Wissen Ausblick Ohne innovative Werkstoffe und neue Materialien gibt es keine Zukunft – zumindest keine, die lebenswert wäre. Unter diesem Motto lassen sich die vielfältigen Erkenntnisse dieser Expertenstudie zusammenfassen. Maßgeschneiderte Werkstoffe machen Produkte besser. Bessere Produkte machen Unternehmen erfolgreich. Erfolgreiche Unternehmen sichern den Wohlstand unserer Gesellschaft. Und sozialer Wohlstand auf Werkstoffbasis sorgt dafür, dass jeder Einzelne von uns sicher, gesund, bequem, nachhaltig – und letztlich glücklich – leben kann. So lautet die Wertschöpfungskette, von der alle Teilnehmer profitieren. Um die hierzu notwendigen Bedürfnisse zu definieren, die Herausforderungen aufzuzeigen und die zur Realisierung notwenigen Schritte durchzuführen, bedarf es eines starken und kompetent verflochtenen Werkstoff-Expertennetzwerks. Eines Netzwerks, das von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung alle wichtigen Fäden in der Hand behält. Eines Netzwerks, das selbst beim Fokus aufs entscheidende Detail das große Ganze nicht aus dem Blick verliert – und dabei noch in der Lage ist, über den eigenen Tellerrand hinaus zu schauen. Im Bereich der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik bildet die DGM mit ihren rund 40 Fach- und Gemeinschaftsausschüsse ein solches Netzwerk. Seit fast 100 Jahren. Was die Förderung der zukunftssichernden Werkstoffprojekte angeht, so leisten Organisationen wie die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) oder die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“. (AiF) bereits seit Jahren gute Arbeit! Aber auch die Bundesregierung hat nicht zuletzt mit ihrer High-Tech-Strategie die Zeichen der Zeit erkannt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) sind im politischen ohnehin verlässliche Partner. Trotzdem werden sie alle sich in den nächsten Jahren und Jahrzehnten noch stärker einbringen müssen, damit Deutschland im internationalen Wettbewerb konkurrenzfähig bleiben kann. Hier ist zusätzliches Engagement gefragt: Für eine Zukunft mit Werkstoffen. Und für Werkstoffe, die Zukunft haben. Dr.-Ing. Frank O.R. Fischer Geschäftsführendes Vorstandsmitglied der DGM
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