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Maschinen & Anlagen

Wie neue Werkstoffe im Maschinenbau die Zukunft der Branche prägen

Für den Maschinenbau spielen neue Werkstoffe in der Zukunft auf doppelte Weise eine immer bedeutsamere Rolle: Auf der einen Seite werden Maschinen eingesetzt, um neue Werkstoffe zu bearbeiten, also zu verformen, zu schneiden, zu prägen oder miteinander zu verbinden. Auf der anderen Seite besteht eine Maschine selbst aus Materialien, die Einfluss auf ihre Leistungsfähigkeit, Energieeffizienz und Wartungsfreundlichkeit nehmen. Je weniger Kraftaufwand eine Maschine benötigt, um ihre Aufgabe zu verrichten, desto energiesparsamer arbeitet sie.

Für den Maschinenbau sind moderne Werkstoffe als Werkzeug-Materialien daher von besonderem Interesse in eigener Sache. Welche Chancen und Herausforderungen sich für den Maschinenbau durch neue Werkstoffe ergeben, lesen Sie im Folgenden.


Gewichtsreduktion durch Berechnung der relevanten Belastungen

Maschinen sind in noch stärkerem Maße als zum Beispiel Flugzeuge und Autos prädestiniert, alle Vorteile besonders leichter Werkstoffe wie kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) oder besonders belastbarerer Materialien wie Industriekeramiken auszuschöpfen. Denn die Bewegungen einer Maschine sind gleichförmig und daher genau berechenbar. Und das ist bei der Verwendung von modernen, leichten Werkstoffen eine wesentliche Voraussetzung: dass die Kräfte, die auf ein Material einwirken, vorhersehbar und im Idealfall präzise definiert sind. Denn wo es an Dichte und Gewicht fehlt, fehlt es auch bei den neuralgischen Stellen eines Werkstoffs an Härte, Temperaturbeständigkeit oder Abriebfestigkeit. Leichtigkeit und extreme Zug- oder Druckfestigkeit sind bei den neuen Werkstoffen durchaus möglich. Allerdings kann kein Gewicht eingespart werden, wenn eine Belastung in alle Richtungen erfolgt. Moderne Werkstoffe sind also nicht so isotrop wie Metalle und besonders gehärtete Metalllegierungen. Sie sind anisotrop, d. h., sie bieten herausragende Eigenschaften immer nur in einer Belastungsrichtung. Generell können alle beweglichen Bestandteile einer Maschine durch Einsatz neuer Werkstoffe so optimiert werden, dass der Kraftaufwand bis zu einem Minimum reduziert wird. 

Bearbeitung von Werkstoffen als Kernkompetenz des Maschinenbaus

Je stärker die großen Schlüsselindustrien, allen voran Luftfahrt und Automobilindustrie, dazu übergehen, zunehmend neue Werkstoffe für immer mehr Einzelkomponenten zu verwenden, desto anspruchsvoller gestaltet sich die präzise Bearbeitung von besonders harten, bruchspröden oder reißempfindlichen Materialien. Am Beispiel der Zerspanung wird deutlich, welche Schritte erforderlich sind, wenn ein sehr spezifisches Material geformt werden muss. Um einem extrem harten Werkstoff wie Titan gewachsen zu sein, muss das Zerspanungswerkzeug selbst aus einem Material bestehen, das dem Titan mit eigenen spezifischen Eigenschaften gewachsen ist.

Der Maschinenbau hat also selbst ein wachsendes Interesse daran, diese neuen Werkstoffe als zukunftsträchtige Disziplin zu fördern. Denn nicht nur ihre Erforschung und Entwicklung für attraktive Endprodukte steht bei der Branche im Vordergrund. Vor allem wird in Zukunft sehr viel zusätzliches Know-how über Werkzeug-Werkstoffe vonnöten sein, um die Vielfalt neuer und besonders fester Konstruktionsmaterialien adäquat bearbeiten zu können. 

Maximale Laufruhe einer Maschine auch bei kristallinen Werkstoffen

Entstehende Vibrationen des Werkzeugs gehören zu den klassischen Begleiterscheinungen in der Werkstoffbearbeitung, die auch maßgeblich für seinen Verschleiß oder die Materialermüdung anderer beweglicher Komponenten verantwortlich sind. Auch gesinterte Werkstoffe müssen manchmal im Detail nachbearbeitet werden. Metallschaum und insbesondere Keramik können selbst dann ein Werkzeug in Mitleidenschaft ziehen, wenn ihre stofflichen Bestandteile eine extrem feine Körnung aufweisen. Um solche unerwünschten Nebeneffekte zu vermeiden, kann immer noch auf die hervorragende Eigenschaft von Diamanten zugegriffen werden. Allerdings wird auch das härteste Material der Welt an seine Grenzen kommen. Denn neben Präzision und schonender Behandlung eines Werkstoffs geht es letzten Endes auch immer um Geschwindigkeit als wirtschaftlichem Faktor. 

Fazit: Neue Werkstoffe erfordern hoch spezialisierte Werkzeuge

Der Maschinenbau gehört angesichts der zukünftigen Herausforderungen zu den Innovatoren im Bereich der Werkstoffforschung. Ein innovativer Kunststoff benötigt als Gegenpart einen noch raffinierteren Werkstoff oder ein noch innovativeres Verfahren, mit dem er bearbeitet werden kann. Mit Kraft allein wird den meisten modernen Werkstoffen ohnehin nicht mehr beizukommen sein. Die immer bessere Feinjustierung der Bewegungen eines Zerspanungsprozesses gehört zu den Lösungen, mit denen es Maschinenbauingenieuren gelingen kann, die neuen Werkstoffgenerationen in Form bringen.

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