Werkstoffe Acht Werkstoff-Tipps für Konstrukteure 

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Wie die richtige Beschichtung für makellose Oberflächen sorgt oder wie bandverzinkter ZM-Stahl als Alternative beim Korrosionsschutz helfen kann, bis hin zu neuen Werkstoffe, die Konstrukteure bei der richtigen Materialauswahl unterstützen: Das sind die Tipps & Tricks im Bereich Werkstoffe und Oberflächenbearbeitung. 

Korrosionsschutz: Bandverzinkter ZM-Stahl als Alternative zur Stückverzinkung

Bei der Auslegung von Unterkonstruktionen für Freiflächenanlagen, Agri-PV-Systeme oder Solar-Carports stehen Konstrukteure vor einer doppelten Herausforderung: Die Bauteile müssen über Jahrzehnte korrosionsbeständig sein und zugleich wirtschaftlich gefertigt werden können. Insbesondere bei Profilkonstruktionen lohnt daher ein genauer Blick auf Alternativen zur klassischen Stückverzinkung.Stückverzinkte Bauteile bieten einen bewährten Korrosionsschutz, bringen jedoch konstruktive und fertigungstechnische Herausforderungen mit sich. Dazu zählen Größenbeschränkungen, erforderliche Entlüftungs- und Ablauföffnungen sowie möglicher Bauteilverzug infolge des Verzinkungsprozesses.Eine wirtschaftliche Alternative sind Zink-Magnesium-Aluminium-beschichtete Bandstähle. Mit ZM Ecoprotect Solar bietet Thyssenkrupp Steel eine für PV-Montagesysteme entwickelte Variante an. Die Beschichtung erfolgt bereits am Stahlband vor der Umformung, sodass Profile ohne die Nachteile der nachträglichen Stückverzinkung gefertigt werden können. Gleichzeitig ermöglicht die hohe Umformbarkeit eine effiziente Verarbeitung im Rollformprozess, während die harte Oberfläche den Werkzeugverschleiß reduziert. Für entsprechende Anwendungen stehen Werkstoffe nach DIN EN 10346 mit Beschichtungsauflagen von ZM 310 bis ZM 620 zur Verfügung. Auch beim Korrosionsschutz bietet die ZM-Beschichtung Vorteile. Die Kombination aus kathodischer Schutzwirkung und stabiler Deckschicht schützt neben den Oberflächen auch Schnittkanten, Bohrungen und Biegeschultern. Tipp für Konstrukteure: Wird der Korrosionsschutz bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt, können bandverzinkte ZM-Stähle dazu beitragen, Fertigungsaufwand zu reduzieren und gleichzeitig langlebige PV-Unterkonstruktionen zu realisieren.

Metall: Durchbruch für Extremhitze – Tantal-Legierung trotzt 2.400 °C

Ein Forschungsteam der Xi'an-Jiaotong-Universität hat einen Werkstoff vorgestellt, der selbst dort stabil bleibt, wo andere Metalle längst versagen. Das Team am „State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials“ hat eine Tantal-Legierung entwickelt, die zwischen 2.000 und 2.400 Grad belastbar bleibt und sich trotzdem bei Zimmertemperatur verformen lässt. Tantal schmilzt erst bei rund 3.000 Grad und gilt deshalb als einer der wenigen aussichtsreichen Kandidaten für solche Extrembedingungen. Bisherige Tantal-Legierungen erweichen aber bei zu großer Hitze und verlieren dann auch ihre Tragfähigkeit. Das liegt an einer Eigenschaft, die alle Metalle teilen. Erreicht die Einsatztemperatur ungefähr das 0,6-Fache des absoluten Schmelzpunkts, beschleunigt sich die Diffusion der Atome. Dann versagen die Mechanismen, die das Material bei geringeren Temperaturen festigen. Das Team in Xi'an löste das Problem mit einer Prise Bor: Über eine eigens entwickelte Oxidationsreaktion verteilten die Forscher rund 50 Nanometer kleine Hafniumoxid-Teilchen gleichmäßig im Korninneren des Metalls. Diese Partikel wirken den Forschenden zufolge wie winzige Anker. Sie blockieren die Wanderung von Versetzungen und halten die Korngrenzen fest, sodass das Material auch nahe seiner Belastungsgrenze kaum noch kriecht und sich daher auch nicht verformt. Das Bor lagert sich an den Grenzflächen an und verhindert, dass die Oxidteilchen bei großer Hitze zusammenwachsen. Die chinesischen Forscher nennen ihr Material eine bor-stabilisierte, oxiddispersionsgehärtete Tantal-Legierung, kurz „B-ODS“.

Smart Materials: Verformungsverhalten in Formgedächtnislegierungen entschlüsselt

Forschende des Fachgebiets Metallische Werkstoffe der Universität Kassel haben ein neues Verformungsverhalten in Formgedächtnislegierungen entdeckt. Das Team konnte erstmals beobachten, was auf atomarer Ebene unter Belastung im Material passiert. Am Beispiel spezieller Kobalt-Nickel-Gallium-Kristalle hat das Kasseler Team nachgewiesen, wie der Mechanismus exakt abläuft: Fällt der Druck ab, findet eine bislang unbekannte Umstrukturierung statt, bei der sich die Kristallbereiche neu anordnen. Durch das Wachstum einer bestimmten Kristallvariante verschieben sich die sogenannten Zwillingsgrenzen im Material.Genau diese atomare Bewegung im Kristallgefüge erzeugt akustische Signale, die das Team erstmals entschlüsseln konnte. Dabei konnten die Forscher den Werkstoff mittels Neutronenbeugung durchleuchten, zeitgleich über akustische Emissionen seine Verformung belauschen und die Prozesse parallel im Modell interpretieren.

Oberfläche: Makellos glänzende Kunststoffoberflächen

Metallisch glänzende Kunststoffoberflächen liegen im Trend – ob bei Automotive-Exterieur und -Interieur, bei Spielwaren oder Haushaltsgeräten. Im Spritzguss hergestellte Produkte haben jedoch einen Nachteil: sie weisen oft sogenannte Fließlinien auf – unschöne Streifen und Linien. Eine neue Methode zur Herstellung von Metalleffektpigmenten, die an der Technischen Universität Berlin entwickelt und am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP weiter optimiert wird, ermöglicht einen fließlinienlosen Metalleffekt auf Kunststoffoberflächen – und das, ohne Beschichtung. Hierzu hat der Wissenschaftler Nils Demski an der TU Berlin tetraederförmige Partikel entwickelt. Diese Geometrie ermöglicht, den Grad der Partikelausrichtung in der Kunststoffschmelze gezielt zu steuern. Darüber hinaus lassen sich sowohl die Ausbildung von Fließlinien als auch der Helligkeitsflop, also Änderung der Helligkeit je nach Betrachtungswinkel, beeinflussen. Die Herstellung dieser Vollaluminiumpigmente mit Tetraedergeometrie ist jedoch aufwändig und mit einer hohen Ausschussrate verbunden. Nils Demski wählte deshalb mit seinem Team einen neuen Ansatz: die Herstellung tetraedrischer Metallic-Pigmentpartikel auf Basis der UV-Imprint-Lithographie. Ihr Ziel: Pigmentausschuss möglichst vermeiden und zugleich eine hohe Automatisierbarkeit durch Rolle-zu-Rolle-Prozesse erreichen. Statt aus Aluminium bestehen die Pigmentpartikel aus einem UV-ausgehärteten, anschließend metallisierten Duroplast, der die thermischen und mechanischen Anforderungen erfüllt, um im Spritzguss seine Form und optischen Eigenschaften zu behalten. Das neue Verfahren reduziert den Materialverbrauch und senkt die Ausschussrate gegenüber herkömmlichen Produktionsmethoden erheblich. 

Beschichtung: Füllstoffe für Lacke aus Hühnerfedern

Ein kostengünstiger und multifunktionaler Füllstoff für Lacke und Beschichtungen könnte künftig aus Hühnerfedern gewonnen werden: Keratin. Forschende vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP im Potsdam Science Park sowie vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart haben mit dem Protein vielversprechende Ergebnisse erzielt. Wird zu mikrofeines Pulver gemahlenes Keratin mit Wasser vermischt und ausreichend dispergiert, bildet sich eine milchige Flüssigkeit, die nur sehr langsam von Mikroorganismen zersetzt werden kann. Damit hat Keratin nicht nur das Zeug zum kostengünstigen Füllstoff, sondern könnte auch als Grundstoff dienen für Lacke und Beschichtungen mit einer erhöhten Stabilität gegen mikrobiellen Befall. Bei Laborversuchen zeigte Keratin in Kombination mit geringen Zusätzen an Kupfersalzen oder -partikeln außerdem eine Schutzwirkung vor ultravioletter Strahlung. Damit könnten Keratinpartikel künftig Funktionen wahrnehmen, die auch Titanoxid aufweist. Dieses wirkt ebenfalls antibakteriell und schützt vor UV-Licht, gilt aber als möglicherweise krebserregend. Auch Bornitrid kann mit Keratin in Wechselwirkung treten. Liegen von beiden Stoffen Partikel in einem Bindemittel vor, können sich geordnete Strukturen ausbilden. Dadurch werden Beschichtungen mechanisch stabil und stoßfest. Damit wären keratinhaltige Lacke denkbar, die vor Rost schützen, zum Beispiel Pulverbeschichtungen für Zäune, Gartengeräte oder Outdoormöbel.
Um Keratin in multifunktionalen Additiven für Beschichtungen verwenden zu können, müssen die Hühnerfedern gereinigt und zu feinem Pulver umgewandelt werden. Mit chemischen Verfahren lassen sich zwar recht einfach große Mengen Keratinpulver herstellen. Allerdings büßt das Keratin dabei seine Funktionalität in Teilen ein. Mechanische beziehungsweise mechanochemische Herstellungsverfahren liefern die besseren Ergebnisse, wirken sich dafür aber an anderer Stelle nachteilig aus: Im Labor konnten die Forschenden nur wenige Gramm Pulver herstellen. Um die mechanische Produktion im industriellen Maßstab nutzbar machen zu können, wollen die Forscher künftig mit der Zoz GmbH zusammenarbeiten. Das Unternehmen aus Wenden im Sauerland entwickelt und fertigt spezifische Anlagen für die mechanische Verfahrenstechnik und stellt mit eigenen Anlagen nanostrukturierte Hochleistungswerkstoffe her.

Faserverbundstoff: Carbon und Keramik in Hochleistungs-Hybridfaser vereint

Das RWTH-Spin-off Ternafil hat mit seiner Technologie Maxcarbon eine neue Hochleistungs-Hybridfaser entwickelt, die die mechanische Performance von Carbon mit der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit keramischer Werkstoffe kombiniert. Bei der Hochleistungs-Hybridfaser Maxcarbon werden herkömmliche Kohlenstofffasern durch eine kontinuierliche Oberflächenreaktion bei 1.250 °C umgewandelt – dabei entsteht eine Max‑Phasen‑Hybridstruktur, die die mechanische Festigkeit von Kohlenstoff mit der thermischen und chemischen Beständigkeit von Keramiken vereint. Dabei ist die Max-Phase eine Familie geschichteter Keramiken, die die Steifigkeit und Hitzebeständigkeit von Keramiken mit der Zähigkeit, elektrischen Leitfähigkeit und Bearbeitbarkeit von Metallen kombiniert – ohne die üblichen Kompromisse. Die meisten Materialien zwingen zu einem Kompromiss: Keramiken sind hart, aber spröde, Metalle sind zäh, aber schwer. MAX‑Phasen entziehen sich diesem Zielkonflikt. Siliziumbasierte Typen wie Ti₃SiC₂ zeichnen sich durch hohe mechanische Leistungsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock aus; aluminiumbasierte Typen wie Ti₂AlC bilden bei hohen Temperaturen eine selbstheilende Oxidschicht – was sie besonders widerstandsfähig gegenüber Oxidation und Korrosion macht. 
Maxcarbon ist ein Hybridmaterial, bei dem die Max‑Phase direkt auf den Oberflächen von Kohlenstofffasern synthetisiert wird. Die Faser bleibt leicht und flexibel, gewinnt jedoch an chemischer Beständigkeit, Hochtemperaturstabilität und elektrischer Leitfähigkeit.

Faserverbund: Plasma beschleunigt Herstellungsprozess von Carbonfasern

Carbon ist als Werkstoff für Fahrradrahmen, Fahrzeugteile oder Schutzbekleidung bekannt. Die Kohlenstofffasern als Grundmaterial für Carbon werden in der Regel aus Polyacrylnitril (PAN) hergestellt. Dieser Prozess unterteilt sich in zwei Phasen: die Stabilisierung der Fasern und die anschließende Carbonisierung. An der FH Aachen hat ein Forschungsteam eine Methode entwickelt, die den Herstellungsprozess von Carbonfasern beschleunigt. Bei der Stabilisierung werden die PAN-Fasern aktuell Millimeter für Millimeter durch einen gewaltigen, rund 30 Meter langen Industrieofen geführt. Dort werden sie bei ca. 300 Grad Celsius 60 Minuten lang erhitzt. Ein freistehendes Plasma macht hierbei den Unterschied. Im Verlauf der Forschung gab es Versuche, die Oberfläche des PAN mit einem Plasma-Strahl zu behandeln. Dabei haben es die Forscher geschafft, das Plasma von der Elektrode zu entkoppeln. Entstanden ist ein Plasma mit zylindrischer Ausdehnung, das losgelöst von plasmabildenden Elementen steht. Dieses freistehende Plasma konnten die Forscher in einem neuartigen Apparat als Werkzeug nutzbar machen. Die PAN-Fasern können nun ohne direkte Berührung durch das Plasma hindurchgeführt werden, wodurch die Hitze gleichmäßig auf die Fasern abstrahlt – diese brennen nicht mehr durch und können kontrolliert stabilisiert werden. Bei Anwendung der neuen Methode durchläuft das PAN den Ofen nun mit einer Geschwindigkeit von einem Millimeter pro Sekunde – das ergibt eine Gesamtverweildauer von nur sieben Minuten anstatt der vorigen 60 Minuten, um die Stabilisierung vollständig zu erreichen. Der Energieverbrauch der Stabilisierungsphase reduziert sich um 80 Prozent. Die Produktionsstrecke ist außerdem nur noch rund vier Meter lang. Dieses Ergebnis können die Forscher sogar noch weiterentwickeln und in einen zusätzlich optimierten, industriell nutzbaren Aufbau überführen. Bald bestünde die Möglichkeit, durch die effizientere Produktion auch die Automobil- und Luftfahrtbranche noch stärker auf kohlenstofffaserverstärkte Bauteile umzustellen – Autos und Flugzeuge würden leichter werden und deren Nutzung dadurch umweltfreundlicher. 

Leichtbau: Nachhaltiger Leichtbau mit Magnesium und Muschelkalk

Austernschalen fallen weltweit in großen Mengen als Abfallprodukt der Lebensmittelindustrie an. Bislang werden sie meist deponiert oder in Gewässern entsorgt. Forschende des Hereon-Instituts für Material- und Prozessdesign haben nun eine Möglichkeit gefunden, die Schalen als nachhaltige Ressource zu Magnesiumschaum verarbeiten. Das Team hat Austernschalenpulver mittels eines Schmelzofens in eine Magnesium-Calcium-Legierung eingerührt. Da die Schalen überwiegend aus Calciumcarbonat (Kalk) bestehen, reagiert das Pulver unter hohen Temperaturen zu Kohlendioxid (CO₂). Das Gas bildet Blasen, die in der dickflüssigen Schmelze bestehen bleiben und damit den Schaum formen. Nach dem Abkühlen und Aushärten entsteht ein Metallschaum mit einer homogenen Porenstruktur. Das entstandene CO₂ verbleibt in diesen Poren. Das Besondere am neuen Werkstoff: Er ist nachhaltig produziert, vollständig recycelbar, ultraleicht und für verschiedenste Anwendungen geeignet. Die Porenstruktur macht den Magnesiumschaum sehr formbar und sorgt dafür, dass er viel Energie aufnehmen kann. Dadurch eignet er sich besonders für Leichtbauteile zum Dämpfen von Schwingungen oder Stößen, wie etwa Knautschzonenteile von Fahrzeugen. Zukünftige Einsatzmöglichkeiten sehen die Forschenden auch im Schiffsbau, in der Luftfahrt oder in Schutzkleidung wie Sicherheitswesten oder Protektoren, bei denen geringes Gewicht und hohe Energieaufnahmefähigkeit entscheidend sind.