Leicht, leichter, Materialforschung

Die Gleichung ist einfach: Gelingt es, ein Fahrzeug um 200 Kilogramm leichter zu bauen, so verbraucht es einen Liter weniger Kraftstoff auf 100 Kilometern und stößt damit auch weniger Kohlendioxid aus. Im Kampf gegen überschüssige Kilos setzen die Konstrukteure von Autos und Flugzeugen daher auf leichtere Materialien, zum Beispiel auf Magnesium. Damit kann das Gewicht einzelner Bauteile um 30 bis 70 Prozent gesenkt werden.

100 Kilogramm können nach Ansicht von Professor Dr. Karl Ulrich Kainer in einem Auto durch Magnesium ersetzt werden. Bei gleicher Masse sind Legierungen dieses Metalls außerdem erheblich steifer als Konkurrenzwerkstoffe. „Allerdings bereitet das Verformen von Magnesium noch große Probleme“, sagt  Kainer, der das Magnesium Innovations Center (MagIC) am GKSS-Forschungszentrum in Geesthacht leitet. Dort entwickeln Helmholtz-Forscher neue, geschmeidigere Magnesium-Legierungen. Und sie optimieren Herstellungsverfahren, die weniger Energie benötigen und dabei die Materialeigenschaften noch verbessern. „Auch die CO2-Bilanz der Produktionsprozesse fließt in die Gesamtbilanz eines  Fahrzeugs ein“, betont Kainer.

Magnesiumbauteile werden bisher hauptsächlich im Gussverfahren hergestellt. Dafür sind hohe Temperaturen nötig und die Vielfalt der Formen ist eingeschränkt. GKSS-Forscher arbeiten an Alternativen durch so genannte Knetverfahren wie Strangpressen, Schmieden und Walzen. Und ab Herbst 2010 können sie eine neue Gießwalzanlage in industriellem Maßstab nutzen. „Sie ist für die Grundlagenforschung geeignet, ermöglicht es uns aber auch, den Herstellungsprozess schneller in  industrielle Maßstäbe zu überführen“, sagt Kainer. Beim Gießwalzen wird das flüssige Material direkt zwischen die Walzen gegossen, wo es gleich dünn ausgerollt wird und erstarrt. Verglichen mit dem Walzen aus einem Magnesiumblock sind anschließend nur noch wenige Walzdurchgänge nötig, um ein Blech zu bekommen, das sich weiter verarbeiten lässt. Das spart Energie und Kosten, denn das Material muss zwischendurch nicht immer wieder aufgeheizt werden. „Außerdem wirkt es sich positiv auf die innere Struktur des Materials aus, dass es schnell abkühlt“, erläutert Kainer. Ergänzt wird die große Anlage durch eine weitere Anlage im Mini-Format, die sogar transportabel ist. Dies bietet die einzigartige Möglichkeit, den Gießwalzprozess in allen Schritten detailliert am Hamburger Elektronen-Synchrotron DESY zu untersuchen. „Am Speicherring Petra III können wir hoch brillante Röntgenstrahlung nutzen, um die Mikrostruktur vom Erstarrungsbereich bis zur Verformung zu beobachten“, sagt Professor Dr. Andreas Schreyer, der den Bereich Werkstoffphysik am GKSS leitet. Das liefert den Forschern nicht nur wertvolle Informationen für die Optimierung des Prozesses, sondern hilft auch dabei, den Werkstoff optimal an das neue Herstellungsverfahren anzupassen.

Vor allem sollen die Materialeigenschaften in allen Raumrichtungen gleich sein. Nur so lassen sich daraus später Bauteile mit gleichmäßiger Wandstärke formen. Die Werkstoffwissenschaftler erreichen dies, indem sie bestimmte Legierungselemente zugeben. Dies gelingt zum Beispiel mit Zink- und Manganhaltigen Magnesium-Legierungen, die im Patentverfahren sind. Ein weiteres Material, das für den Leichtbau bereits eine gewisse Bedeutung hat, ist Titan-Aluminium. Es eignet sich – im Gegensatz zu Magnesium – für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen von 700 bis 800 Grad Celsius und ist dabei deutlich leichter als vergleichbare Stahl- oder Nickel-Basis- Legierungen. Damit empfiehlt es sich für Anwendungen unter extremer Belastung wie Turbinenschaufeln im Flugzeug. „Vor 20 Jahren waren GKSS-Forscher Pioniere auf diesem Gebiet, mittlerweile fliegt das Material in einem ersten Triebwerk“, berichtet Schreyer.

Nun wollen er und seine Kollegen auch die neuesten Materialentwicklungen zur Marktreife führen. Die wichtigsten Ziele dabei sind, die Temperaturbereiche noch zu steigern und Probleme zu beheben, die die neuen Legierungen noch haben. „Dafür müssen wir erst einmal die Grundlagen sehr gut verstehen, denn wir wollen die Materialien und Prozesse nicht durch Versuch und Irrtum verbessern, sondern wissensbasiert“, betont Schreyer. Auch die Titan-Aluminium-Forscher haben dafür die Möglichkeit, bei den Helmholtz-Kollegen vom DESY Materialanalysen in atomarem Maßstab durchzuführen. Für den Übergang in die industrielle Fertigung arbeiten sie – wie auch die Magnesium-Forscher – eng mit Industriepartnern zusammen. So haben sie kürzlich eine patentierte GKSS-Legierung an Rollce Royce lizensiert und optimieren das Material nun für die Anwendung im Triebwerk