Bauteile aus nanostrukturierten Materialien

Aluminium ist leicht, verbiegt allerdings auch schnell. Hat es jedoch eine nanometerkleine Struktur, zeigt es andere Eigenschaften: Das Material ist wesentlich stabiler und fester. Daher ist es wie geschaffen für Aluschrauben in Motoren, die hohen Temperaturen standhalten müssen.

Auch für Leichtbauteile eignet sich dieser Werkstoff hervorragend, denn je fester das Material, desto dünner kann das Blech für die Bauteile sein. Ausschlaggebend für die Eigenschaften ist die geringe Größe der Kristalle: Sie sind bedeutend kleiner als bei herkömmlichen Werkstoffen. Man spricht daher auch von feinkristallinen Gefügen.

Eine Herausforderung liegt in der Weiterverarbeitung solcher Nanowerkstoffe zu Werkzeugen oder Bauteilen: Beim Pressen oder Fügen muss das Material erwärmt werden. Die Kristalle wachsen, die Strukturen werden größer. Kurzum: Das Material verliert bei der Erwärmung die »Nanoeigenschaften«. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden haben sich dieser Herausforderung angenommen. »Ziel ist es, die feinkristalline Struktur während des gesamten Herstellungsprozesses von Bauteilen zu erhalten«, erklärt Dr. Ronny Leuschner, Projektleiter am IFAM. Die Forscher haben dafür eine spezielle Technologiekette aufgebaut, zum Beispiel für die Herstellung von nanostrukturierten Aluminiumwerkstoffen.

»Dafür stellen wir zunächst eine spezielle Aluminium-Legierung her«, sagt Leuschner. »Die metallische Schmelze müssen wir sehr rasch abkühlen. Wir frieren sie quasi ein.« Dafür verwenden die Forscher das »Melt Spinning«-Verfahren: Eine eigens entwickelte Spritzvorrichtung gießt die Schmelze auf eine wassergekühlte rotierende Rolle und erzeugt gleichmäßige, nur wenige Mikrometer dünne Bandstücke, Flakes genannt. Kaum auf der Rolle, sinkt die Temperatur der Schmelze rapide und das Band erstarrt in Hochgeschwindigkeit. Der Vorteil der Vorrichtung: Sie eignet sich für mehrere Kilogramm Material und hält Temperaturen von mehr als 1700 Grad Celsius aus. »Nach dem Erstarren müssen wir die Flakes kompaktieren und in die gewünschte Form pressen«, sagt Leuschner. Auch dabei dürfen die feinkristallinen Strukturen nicht verloren gehen.

Die Forscher nutzen hier das Spark-Plasma-Sintern: Hochfrequente Strompulse innerhalb der Pressvorrichtung kompaktieren das Material in sehr kurzer Zeit, sodass die feinen Mikrostrukturen erhalten bleiben. Die Anwendungen der Nanowerkstoffe reichen von leichteren Alu-Bauteilen mit verbesserter Festigkeit, Verschleiß- oder Korrosionsbeständigkeit über die Speicherung von Wasserstoff und die Energiegewinnung mit thermoelektrischen Werkstoffen bis hin zur Elektrotechnik.