„trends der werkstoff-technologie“ · einsatz von veriflex für morphing aircraft, das mit...
TRANSCRIPT
www.zt-consulting.de
„Trends der Werkstoff-Technologie“
Tracto-Technik Innovationstag 2009
Dr. Heinz Eickenbusch13. November 2009
www.zt-consulting.de
technology push
Steigende WerkstoffvielfaltMultifunktionswerkstoffeVerbundwerkstoffeSchicht- und Nanomaterialien
Multimaterialsysteme für verschiedeneKomponenten in einer Anwendung Substitution konventioneller Werkstoffedurch kostengünstigere WerkstoffeNachhaltige u. biokompatible Materialien Energieeffiziente Werkstoffe (z. B. Leichtbau)Individuelle Materialien
Zwei Drittel aller Innovationen gehen auf neue Werkstoffentwicklungen zurück!
Trends der Werkstofftechnologien
Werkstoffe demand pull
www.zt-consulting.de
Beispiele für Werkstofftrends
1. Metalle und Polymere• Höchstfeste Stähle (AHSS) und „superbiegsame“ Stahlsorten• Metallische Gläser• Faserverstärkte Polymere, Metalle und Keramiken• Metall- und Polymerschäume
2. Nanomaterialien• Aerogele• Kohlenstoff-Nanoröhren• Graphene• Nanocellulose
3. „Intelligente“ Werkstoffe• Formgedächtnispolymere• Auxetische Materialien• Selbstheilende Materialien
www.zt-consulting.de
„Bulk metallic glasses“ (BMG), amorphe Metalle, Flüssigmetalle
• giessbar bzw. Spritzguss wie bei Kunststoffen
• härter und elastischer als konventionelle Legierungen
(z. B. 3 x besser als Titan-Legierungen)
• niedrige Schmelzpunkte
• sehr widerstandsfähig gegen Korrosion
• besondere magnetische Eigenschaften
• Verbundwerkstoffe (neuer Ansatz)
Metallische Gläser
www.zt-consulting.de
Erste Produkte und Anwendungsmöglichkeiten
stark beanspruchte mechanische Bauteile:
Quelle; Liquidmetal®Technologies
Elektronikgehäuse Medizinische Werkzeuge Maschinenteile
Militärische GeräteSportartikel Schmuck Raumfahrt
Scharniere,......
www.zt-consulting.de
Thermoplaste (Lineare oder verzweigte Kettenmoleküle, unvernetzt)
PA
PP
PE
Verstärkung
Glasfasern
Kohlefasern
Naturfasern
Nanofasern
Langfaser- bzw. Endlosfaserverbundwerkstoffe
Faserverstärkte Polymere
www.zt-consulting.de
CFK-Motoradfelge
CFK-Dach
Erste Produkte aus Faserverstärkten Polymeren
CFK-Bauteile im A 380
www.zt-consulting.de
Faserverstärkte Metalle und Keramiken
Doppel-T-Profile Mg-MC (links, 575g) und Stahl (1786g) Quelle: Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden
CMC-Leichtbau-Kolbenstange und faserkeramische Halbzeuge mit integrativem Gewindeinsert(Quelle: ILK der TU Dresden/ThyssenKrupp Bilstein)
3D gewebte Schalen (Quelle: Shape 3 Innovative Textiltechnik GmbH)
www.zt-consulting.de
Offenzellige Metallschäume aus Edelstahl
Al-Schaum Sandwichmaterial vor und nach dem Schäumen
ROHACELL® von Evonik
ein hochfester Polymethacrylimid-Hartschaumstoff
eingesetzt in Sandwichkonstruktionen
meist mit kohlefaserverstärkten Deckschichten
Quelle: FhG-IFAM Bremen
Metall- und Polymerschäume
www.zt-consulting.de
„Neue“ Technische Physikdurch Änderung von • Farbe, Transparenz• Härte• Magnetismus• elektrischer Leitfähigkeit
„Neue“ Chemieprozessedurch Änderung von • Schmelz- und Siedepunkt• chemischer Reaktivität• katalytischer Ausbeute
„Neue“ Bioanwendungendurch Kombination mit• Selbstorganisation• Reparaturfähigkeit• Adaptionsfähigkeit• Erkennungsfähigkeit
Vergrößerte Oberfläche
Quantenmechanisches Verhalten
Molekulare Erkennung
Drei wesentliche Eigenschaftsänderungen in der Nanowelt
www.zt-consulting.de
Nanowerkstoffe aus Aerogelen
hochporöse Materialien (hohe innere Oberfläche: 600 - 1000 m2/g)
leichtester Feststoff (Dichte: 0,003 - 0,35 g/cm3)
niedrige Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger Lichtdurchlässigkeit
niedrige Dielektrizitätskonstante Licht
Schall
Wärme
Aerogel
www.zt-consulting.de
Katalyse
Energie Sensoren
Konstruktion
IsolierungElektronik
Schockabsorber
Additive
Umwelt
Life Sciences
Anwendungspotential Aerogele
www.zt-consulting.de
Nanowerkstoffe aus Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT)
Herausragende elektronische und mechanische Eigenschaften:
Steifigkeit: 2000 x DiamantDruckfestigkeit: 2 x KevlarZugfestigkeit: 10 x Stahlhohe elektrische Leitfähigkeit
www.zt-consulting.de
Anwendungen von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT)
Derzeitige Anwendungen als CNT-Polymerkompositein Karosserieteilen und Gehäusen zur elektrostatischen Lackierung
in Benzinschläuchen und –filtern zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen
in Elektroden zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit
in Sportgeräten wie Tennisschläger von Völkl und Basballschlägervon Easton zur mechanischen Verstärkung
Anwendungspotenzial:DisplaysElektronikEnergietechnikAktuatorenMedizinVerbundwerkstoffe
www.zt-consulting.de
Nanowerkstoffe aus Graphenen
Zweidimensionale einatomige Graphitschichten (1 nm Monolage)
höchste Festigkeitsehr gute elektrische und thermische Leitfähigkeitz. B. hohe Ladungsträger-beweglichkeit (ca. 106 m/sec)ungewöhnliche elektronische Eigenschaften z. B. Quanteneffekte
Up-Scaling Herstellung: a) Reinterkalation von exfoliertem Graphen oder b) chemisches Abscheideverfahren
www.zt-consulting.de
Anwendungspotential von Graphenen
Graphen-Bauelement (FET) zwischen zwei Transistoren, Quelle: Universität Tübingen
Potenzielles Material für die Post-Silizium-Zeit
Elektronik mit höherer Schaltgeschwindigkeit- Hochfrequenz-Bauteile- Spintronik (schalten mit Spin des Elektrons)- Ein-Elektron-Transistor (Quantencomputer)
Solarzellen: gut leitende und transparente Beschichtung
LED-Displays: Ersatz für ITO (Indiumzinnoxid)
Analytik: Gassensoren, Gasfilter, Elektronenmikroskopie
Nanocomposite
Graphen-Polystyrol compositeQuelle: S. Stankovic et al., Nature 442, 282-286 (20 July 2006)
www.zt-consulting.de
Nanocellulose
Holz Cellulose-Nanofasern (10 - 40 nm)
• als Füllstoff für Polymer-Nanokomposite
• als poröses Gewebe (MFC)/festes Papier
• 7x so fest und 3x so elastisch wie herkömmliches Papier
• fester als Gusseisen und Knochen
Anwendungen: Verpackungsmaterial, Filter, Membrane, Auto- und Flugzeugteile,
Implantate, Elektronik, u. a.
www.zt-consulting.de
Smart Materials
Response
Stimulus
Electrical Magnetic Optical Thermal Mechanical Chemical
Electrical
Magneto-electronics spin-electronics, spintronics
Electro-chromic, electroluminescent, electro-optic, piezo-chromic,
Thermo-electric (Peltier)
Piezo-electric, electro-strictive electro-rheological electro-kinetic
Electrolysis, electro-chemical, bio-electric, electro-migration
Magnetic
Magneto-electronics, spin-electronics, spintronics, Hall effect
Magneto-optic, piezo-chromic Magneto-thermal
Magneto-strictive, magneto-rheological
Nuclear-magnetic-resonance, magneto-chemical
Optical Photo-conductive Opto-magnetic Optical bi-stability Photo-thermic Opto-mechanical, photo-acoustic
Photo-chemical, photosynthesis, photo-catalyst
Thermal Thermo-electric, super-conductivity, radiometer effect, pyro-electric
Curie point Thermo-chromic, thermo-luminescent Shape-memory
Mechanical Piezo-electric, electro-strictive Magneto-strictive Mechano-chromic,
rheo-chromic
Rheopexic, auxetic, shear-thinning, dilatants, pseudo-plastic
Chemical Magneto-chemicalColor-change, litmus, luminescence
Catalysis
„Intelligente“ Werkstoffe
www.zt-consulting.de
Shape Memory Polymers (SMP)
Formgedächtnispolymere, z. B. auf Polyurethan-Basis
Anwendungspotential
Automobil
Luft- und Raumfahrt
Textilien
Medizin
Industrie
www.zt-consulting.de
SMP-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt
© Cornerstone Research Group
Einsatz von Veriflex für Morphing Aircraft, das mit adaptiven Flügeln ausgestattet ist.
(Kooperation Lockheed Martin und U.S. Air Force)
Aktuatoren für Weltraumanwendungen Positionierung von Solarsegeln, Antennen und Reflektorsystemen (Composite Technology Development Inc.)
www.zt-consulting.de
SMP-Anwendungen in der Textilindustrie
www.zt-consulting.de
Ski-Jacke mit Diaplex-Membran
Einsatz von SMPs (Polyurethane)in Klimamembranen:
- Diaplex von Mitsubishi
- Dermizax von Toray
Aktuelle Forschung:
SMP-Fasern mit Temperatur-abhängiger Permeabilität © Tchibo
DiAPLEX-Membran bei tiefer Temperatur
DiAPLEX-Membran bei hoher Temperatur
www.zt-consulting.de
SMP-Anwendungen in der Medizin - Nahtmaterialien
Nahtmaterialien für minimalinvasive Operationen(z. B. Caprolactone)
- Ziehen sich beim Übergang von RT auf Körpertemperatur zu
Prof. Lendlein & Prof. LangerMnemoScience, Aachen
Lendlein, Science, 296, 1673, 2002
www.zt-consulting.de
SMP-Anwendungen in der Medizin
Stents aus SMPs
Weiten sich beim Übergang von RT auf Körpertemperatur auf
Haben Drug Delivery Funktion
Sind degradierbar
© Prof. Wagner, TU Berlin
MnemoScience, Aachen
Chirurgische Instrumente aus SMPs
Laseraktiviertes SMP für die Entfernung von Blutgerinseln
Duncan Maitland, Lawrence LivermoreNational Laboratory
Small, Optical Express, 13, 8204, 2005
www.zt-consulting.de
Befestigungselemente aus SMP
Sharp
Montage/Demontage
Schrauben, Spanndorne für Hohlkörper mit kompliziertenFormen und variabler Größe durch Temperaturänderung
„Easy-Recycling-Bauweise“ (z. B. Autobauteile)
z. B. für automatische Demontage von Bildschirmen
www.zt-consulting.de
Auxetische Materialien
Porengröße kann durch Zugspannung eingestellt werden:
Erhöhte Dehn-, Schub- und Torsionsfestigkeit
Erhöhter Eindrückwiderstand, Bruchzähigkeit und
Schwingungsdämpfung
Herstellung von gegenläufig gekrümmten Oberflächen
Funktionsweise: Bei Zugbelastung dehnt es sich auch quer zur Zugrichtung aus.
Quelle: Auxetic Technologies
www.zt-consulting.de
Erste Produkte und Anwendungen
Technische Kunststoffe und Textilien (Gurte, Bänder, Reifen, ....)
Schuss- und explosionssichere Kleidung
Filter mit einstellbarer Porengröße
Verbandsmaterial, das abhängig von Schwellzustand Medikamente abgibt.
ZetixTM ExplosionsicheresGewebe auf Basis von Auxetischen Materialien
Oben: normaler Zustand
Unten: gedehnter Zustand
Quelle: Auxetix Ltd.
Optimierung der Abriebfestigkeit und Rissbeständigkeit von Reifen
www.zt-consulting.de
Selbstheilende Materialien
Mikrokapsel-Konzept Lackkratzer, Korrosionsrisse, ......
Quelle: Beckman Institute der University of Illinois
Erste Produkte von Autonomic Materials, Inc., Champaign, IL
www.zt-consulting.de
a
b
aa
bb
Selbstheilende Materialien
3D mikrovaskuläres Netzwerk-Konzept
Quelle: Toohey, K.S., et al., Nature Materials, 6, 581-585, 2007
Hohl-Glasfasern in Faserverbundwerkstoffen
Quelle:University of Bristol
www.zt-consulting.de
Selbstheilende Lacke
Temperaturbehandlung oder
Sonneneinstrahlung„2K-PUR-Clear Coat“
www.zt-consulting.de
Selbstheilende Elastomere
Gummi, das sich, in zwei Teile zerschnitten, ohne Klebstoff oder Hitze wieder zu einem stabilen Ganzen zusammenfügen kann.
Laboratoire Matière molle et chimie (CNRS-ESPCI)