Smarte Werkstoffe

20. Juni 2006, 19:04
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Motorkolben schmieren sich selbst, Werkzeuge härten sich je nach Arbeitseinsatz nach, und Oberflächen leuchten bei unsachgemäßem Einsatz rot auf

In Leoben entsteht im Rahmen der Nanoinitiative eines der Weltzentren zur Erforschung von intelligenten Werkstoffen

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Tiere reagieren mit Flucht, wenn es ihnen zu heiß wird. Intelligentere Lebewesen holen vielleicht einen Feuerlöscher oder sie füllen Schmiermittel nach. Die Maschinen selbst würden hingegen unbeirrt weiterlaufen - bis alles zu spät ist. Die Folge wären irreparable Motorschäden und teure Ausfälle in der Produktion. Um derartige Pannen zu vermeiden, wurden komplizierte Sicherheitsvorkehrungen ersonnen. Belastete Schichten müssen regelmäßig erneuert, Verschleißteile vorsorglich ausgewechselt werden. Und am Bedienungspult findet sich ein ganzes Arsenal von Warnlichtern. Was aber, wenn das Material selbst mitdenkt? Wenn sich ein Motorkolben bei Hitze selbsttätig schmiert oder eine Trennscheibe beim Fräsen extrem harter Materialien selbst härter würde? Was, wenn sich ein Stahlseil knallrot verfärbt, wenn es zu stark beansprucht wird - oder besser noch: eine Brücke mit der plötzlichen Versteifung ihrer tragenden Teile reagiert, wenn sie an die Grenzen ihrer Belastung kommt?

Vision wird Realität

Zum Teil sind diese Visionen bereits Realität. Werkstoffe, die sich selbst an ihren Einsatz anpassen, werden von der Industrie immer heftiger nachgefragt. "Wir können unsere Aufträge kaum abarbeiten", sagt Christian Mitterer, Chef des Christian-Doppler-Labors für "Advanced Hard Coatings" in Leoben.

Der Absolvent der Montanuniversität spezialisierte sich mit seiner Forschungsgruppe auf innovative Oberflächen-Schichten für Werkzeuge und Motoren-Komponenten, die besonderer Hitze und mechanischer Belastung ausgesetzt sind. Eine der dabei verwendeten Materialien ist Titanaluminiumnitrid, ein metastabiler Schichtwerkstoff, der sich bei höheren Temperaturen zersetzt. In seiner Schichtmatrix bilden sich dabei kleine Phasenbestandteile, die nur ein paar Nanometer groß sind. Und diese winzigen Partikel führen zu Eigenspannungen, die wiederum die Schicht härter machen. Die Schicht zersetzt sich also - abhängig von der Temperatur - langsam in ihre Komponenten und erhöht damit automatisch ihre Verschleißbeständigkeit. Bei besonders teuren Maschinen ist in die Schicht auch noch ein spezieller Kontrollmechanismus eingearbeitet, der die Oberfläche des Werkzeugs rot verfärbt, wenn es -trotz aller Anpassungsfähigkeit - dennoch bei zu hohen Temperaturen eingesetzt wird. Damit es gar nicht so weit kommt, haben die Steirer auch Materialien entwickelt, die sich selbst kühlen. Dafür wird in die Schicht das Weichmetall Vanadium einlegiert. Es diffundiert bei Hitze leicht an die Schichtoberfläche und bildet dort ein Oxid, das bei etwa 700 Grad schmilzt. Daraus resultiert ein hauchdünner Schmierfilm, der den Reibungswiderstand - und damit die Temperatur senkt.

Weil dieser nette Effekt zu Ende ist, wenn alles Vanadium verbraucht ist, sind die einzelnen Weichmetall-Schichten voneinander durch Barriereschichten getrennt. Dadurch wird Vanadium nicht mit einem Schlag frei, sondern dosiert abgegeben. Und erst wenn die letzte Sperrschicht weggeschliffen ist, muss neu beschichtet werden. Dieses Konzept ist seit mehr als einem Jahr bei der Tiroler Firma Ceratizit im Praxiseinsatz.

Bei Motoren übernimmt eine Kohlenstoff-Mischung mit Diamant und Grafitanteil die Rolle des Vanadiums. Im hohen Temperaturbereich wandeln sich die Diamantanteile an der Schichtoberfläche in Grafit um und damit ergibt sich ebenso ein Schmiereffekt.

Während sich bei dieser Technik die Schichten je nach Einsatz selbstständig anpassen und somit ihre Eigenschaften optimieren, geht das Fachgebiet der Adaptronik noch einen Schritt weiter. Hier werden zusätzliche Sensorschichten zwischen Isolatorenschichten verpackt. Und wenn es zu heiß wird, gibt es eine Rückkoppelung an die Maschine und es wird beispielsweise deren Umdrehungsgeschwindigkeit automatisch reduziert.

Es wird also in das Material noch eine zusätzliche Eigenschaft eingearbeitet, mit der es aktiv reagieren kann. "Dieser Ansatz interessiert uns sehr", sagt Mitterer, "und wir wollen konkret prüfen, was hier für die Praxis relevant sein könnte." Adaptronik ist eine relativ junge Technik-Philosophie, die Ende der Achzigerjahre in den USA erfunden wurde und sich mit der Entwicklung intelligenter selbstregulierender Systeme beschäftigt. In Verbindung mit anderen innovativen Techniken wie der Biomimetik oder der Nanotechnologie ergeben sich für die intelligenten Werkstoffe damit schier unbegrenzte Anwendungsbereiche. Intelligente Unterlegscheiben könnten damit zur Unfallverhütung lose Schraubverbindungen anzeigen, bei Montageautomaten könnte die Greifkraft kontinuierlich erfasst und eingestellt werden oder die Fußsohlen künftiger Roboter mit intelligenten Schichten beschlagen sein, die sofort auf die Beschaffenheit des Bodens reagieren.

Die eingangs erwähnte intelligente Brücke gibt es derzeit noch nicht. Aber in vielen Bereichen, wo es in kleinerem Maßstab um die Dämpfung von Schwingungen geht, hat die Adaptronik schon fast Anwendungsreife erlangt. (Bert Ehgartner/DER STANDARD, Print-Ausgabe, 14./15. 6. 2006)

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