Produktorientierte Werkstoffentwicklung

(Product-Oriented Materials Development)

Sprecher:

Assoziierte Mitglieder:

  • Prof. Dr. rer. nat. Volker Abetz, Universität Kiel*
  • Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schreyer, Universität Hamburg*

*gemeinsam berufen mit dem Helmholtz Forschungszentrum, Geesthacht

Zusammenfassung:

Die angewandte Werkstoffentwicklung ist einer der wichtigsten Motoren für die große Innovationskraft der deutschen Wissenschaftslandschaft. Die Materialentwicklungen, die im TUHH-Forschungsschwerpunkt „Produktorientierte Werkstoffentwicklung” angestrebt werden, tragen unter anderem zu verbesserten und intelligenten Bauteilen bei, die einen Beitrag zum Umweltschutz leisten und die Wirtschaftlichkeit steigern.

Zugespitzt könnte man sagen: Erst die Idee, Werkstoffe gezielt einzusetzen, hat den Menschen zum intelligenten Wesen gemacht. Angefangen über den Gebrauch von Naturstoffen wie Holz, Stein oder Fell über die ersten gezielten Stahl-Legierungen während der industriellen Revolution bis hin zum Einsatz von modernen Hochtemperaturwerkstoffen, die heutzutage in Flugzeugtriebwerken und Gasturbinen arbeiten – ohne Werkstoffinnovationen hätte es keinen wissenschaftlichen Fortschritt gegeben. Ein großer Teil der Wirtschaftsleistung der führenden Industrieländer basiert heute auf der Produktion und Verarbeitung von modernen Werkstoffen.

Im Rahmen der „High-Tech-Strategie für Deutschland” vom Bundesministerium für Bildung und Forschung wird die Werkstofftechnik daher als Querschnittstechnologie eingestuft und in besonderem Maße gefördert. Ziel des Forschungsschwerpunktes „Produktorientierte Werkstoffentwicklung” ist es, die an der TUHH vorhandenen Kompetenzen auf dem Gebiet der Werkstoffforschung zu bündeln und mit der Konstruktions- und Fertigungstechnik sowie der Verfahrenstechnik zu vernetzen. Auf diese Weise sollen Synergien entstehen, die dazu beitragen, innovative Konzepte für marktfähige Produkte basierend auf neuen Werkstoffen zu entwickeln.

Um diese anwendungsorientierte Grundlagenforschung möglichst schnell in die Produktentwicklung überführen zu können, bezieht der Forschungsschwerpunkt in seine Aktivitäten die Kompetenzen und Technologien von außeruniversitären Forschungseinrichtungen, insbesondere des GKSS- und des DESY-Forschungszentrums, sowie von weiteren industriellen Kooperationspartnern mit ein. Diese Zusammenarbeit soll gewährleisten, dass ein möglichst großer Teil der Wertschöpfungskette von der Legierungs- beziehungsweise Materialentwicklung bis zur Produktherstellung zusammengeführt wird. Damit will der Forschungsschwerpunkt eine leistungsfähige Plattform für neue Produktentwicklungen und Kooperationen mit anderen universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen formen.

Ausgehend von den bereits laufenden Forschungsprojekten in den am Forschungsschwerpunkt beteiligten TUHH-Instituten sollen sich die Arbeiten auf die folgenden Themenfelder konzentrieren: hochdurchsatz- und wissensbasierte Werkstoffentwicklungsmethoden, Werkstoff-, Prozess- und Bauteilmodellierung, multifunktionale Werkstoffe, Bauteilgestaltung mit Hochleistungswerkstoffen und neuartige Leichtbauwerkstoffe. Im letzteren Bereich laufen bereits vielfältige Aktivitäten. Der Fokus liegt hier auf der Entwicklung neuartiger, außergewöhnlich schadenstoleranter Leichtbaumaterialien mit integrierter Sensorik und Aktorik.

Solche Materialien sind mit integrierten Funktionen ausgestattet, die ihnen eine Selbstkontrolle, das sogenannte „health monitoring”, ermöglichen. Mit diesem neuen Konzept werden die bisher noch existierenden Grenzen in der Materialherstellung überschritten. Drei Forschergruppen innerhalb des Forschungsschwerpunkts befassen sich bereits mit multiplen Aspekten dieser neuen Werkstoffklasse. Zum einen wird an der Entwicklung neuartiger Keramik-Metall-Polymer-Verbundwerkstoffe mit sehr geringem Polymeranteil gearbeitet. Dieser soll als „Klebstoff” zwischen den keramischen und metallischen Partikeln fungieren.

Die Inspiration für diesen neuen Werkstoff stammt aus der Natur: Hartgewebe wie Zahnschmelz oder Perlmutt weisen eine hohe Härte und Steifigkeit auf, obwohl Verbindungsbrücken durch weiche Proteine und Wasser gebildet werden. Daneben zielen die Forschungsarbeiten auf neue, besonders langlebige Kunststoffverbundwerkstoffe ab, die einen Beitrag zum Umweltschutz leisten werden. Dabei soll beispielsweise durch in die Kunststoffmatrix eingebrachte Kohlenstoffnanotubes die Bildung von Rissen unterdrückt werden. Die Lebensdauer von Bauteilen aus dem Werkstoff wird auf diese Weise extrem erhöht – Windkraftanlagen und Flugzeuge können so länger im Einsatz bleiben. Und auch die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Kunststoffverbunde werden so verbessert.

Weitere Projekte laufen zu neuartigen Materialssystemen, die bei hohen Temperaturen mechanische Stabilität sowie eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dazu sollen sie die Wärmestrahlung reflektieren und auf diese Weise die Aufheizung eines Bauteils wirksam reduzieren – und so dessen Lebensdauer verlängern. Mit seinen vielfältigen Aktivitäten trägt der Forschungsschwerpunkt „Produktorientierte Werkstoffentwicklung” somit aktiv zum Erhalt und Ausbau der Innovationsfähigkeit der Wissenschaftslandschaft in Deutschland bei.