Thema des Monats Juni 2010


Abbildung 1: Druckverteilung auf der Oberfläche eines Flugzeuges. Bild: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Material- und Bauteiloberflächen als Innovationsträger

Material- und Werkstoffoberflächen sind die Bereiche von Bauteilen und Komponenten, die mit der technischen Umgebung und der wahrnehmenden Umwelt in direktem Kontakt stehen. Deshalb kommt ihnen eine besondere Bedeutung zu. Neben wichtigen technologischen Funktionen – wie etwa Härte, Verschleiß- und Korrosionsschutz – ist die Beschaffenheit einer Materialoberfläche aber auch zentrales Gestaltungsmerkmal. Farbgebung, Glanz, Struktur oder bestimmte haptische Merkmale sind dafür gängige Beispiele, die in den Produktwelten der unterschiedlichsten Industriebranchen Vielfalt, Unterscheidbarkeit, Individualität und Wiedererkennbarkeit ermöglichen. Diese zentrale Bedeutung wird auch durch einen Blick in die Statistik der kürzlich stattgefundenen Fachmessen wire und Tube bestätigt: Für rund 2.400 Aussteller und mehr als 69.000 Besucher ist das Thema „Oberfläche“ von hoher Priorität für die zukünftige Produktentwicklung. Aktuelle Ergebnisse aus den Forschungslaboren unterstreichen diesen Trend – intelligente Eigenschaften, Materialeffizienz und die Integration von unterschiedlichsten Funktionen sind nur einige Innovationen, die zukünftig bereitstehen werden, um beispielsweise auch Rohre und Drähte mit optimierten Eigenschaftsprofilen ausstatten zu können.

Temperatur und Druck auf Oberflächen sichtbar machen

Die Charakterisierung der Verteilung der herrschenden Oberflächentemperatur und des wirkenden Oberflächendrucks spielt bei zahlreichen technischen Systemen eine wichtige Rolle - etwa bei der geometrischen Auslegung von Flugzeug- oder Automobilkomponenten. Zur Klärung aerodynamischer Fragestellungen werden dazu beispielsweise aufwändige Windkanaltests durchgeführt, in denen Farbstoffe zum Einsatz kommen, die entweder nur temperatur- oder nur druckempfindlich sind. Zudem enthalten diese Farbstoffe in der Regel giftige Substanzen und sind nur durch eine zeitintensive Reinigungsprozedur zu entfernen. Forscher um Prof. Dr. Otto Wolfbeis von der Universität Regensburg können dieses Kollektiv an Nachteilen nun beheben. Im Rahmen ihrer Forschungsarbeiten haben sie wasserlösliche, leicht abwaschbare und umweltfreundliche Farbstoffe entwickelt, mit denen die Druck- und die Temperaturverteilung auf technischen Oberflächen gleichzeitig und schnell gemessen werden kann. Die Chemiker nutzen dafür fluoreszierende Sonden, die in Mikro- bzw. Nanopartikel eingebettet sind und sich über verschiedenste Methoden applizieren lassen. Die Messsonden können mittels LEDs oder Laserstrahlung aktiviert werden und liefern über Fluoreszenz-Effekte eine bildhafte Darstellung der Verteilung des Oberflächendrucks und der Oberflächentemperatur. Derzeit arbeiten die Wissenschaftler an der Optimierung der Ansprechzeit der Sensoren – zukünftig sollen diese Reaktionszeiten im Bereich von lediglich wenigen Millisekunden realisieren.

Neue Technologie erzeugt hauchdünne Gold-Beschichtungen


Abbildung 2: Der Sensor erkennt berührungslos das Wärmesignal, das vom Finger ausgeht. Bild: Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbH.

Gold zählt zu den seltensten Rohstoffen auf der Erde – der Goldanteil in der Erdkruste beträgt etwa vier Milligramm pro Tonne. Für jede gewonnene Tonne Gold müssen etwa drei Millionen Tonnen Erde bewegt und bearbeitet werden – ein enormer auf Aufwand mit hohem Energie- und Materialeinsatz, der häufig auch zulasten der Umwelt geht. Allein in Deutschland werden jährlich etwa 15 Tonnen Gold verarbeitet, etwa 25 Prozent davon für Schmuck und andere dekorative Anwendungen. Das baden-württembergische Unternehmen Nanocraft Coating aus Engen will nun mit der Unterstützung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) völlig neuartige Beschichtungsverfahren für Gold entwickeln, mit denen es möglich wird, Edelmetalle wesentlich dünner als bisher aufzutragen. Die Firma ist spezialisiert auf die Untersuchung technischer Oberflächen im Nanometerbereich und beschäftigt sich mit der Entwicklung von zwei neuen Beschichtungstechnologien mit denen sich die bisherige Schichtdicke von Edelmetallen auf Schmuck auf die Hälfte senken lassen soll. "Wir könnten bei weniger Materialverbrauch nur 50 Prozent der bisherigen Dicke erreichen, ohne die Haltbarkeit zu verringern oder Verschleiß am Schmuckstück zu haben", so der Geschäftsführer Dr. Sabri Akari. In der laufenden Entwicklung soll sich der Edelmetallverbrauch dadurch um bis zu 80 Prozent senken lassen.

Mit gedruckten Sensoren Geräte bedienen

Das vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung, ISC in Würzburg koordinierte EU-Projekt “Printable pyroelectrical and piezoelectrical large area sensor technology” – kurz 3Plast – hat das Ziel, neuartige Druck- und Temperatursensoren zu entwickeln, die auf den Oberflächen der unterschiedlichsten Elektrogeräte und Bauteile angebracht werden können. Die Vision der Wissenschaftler und Ingenieure ist es, elektronische Geräte zu konstruieren, die sich per Fingerzeig mit nur einer Handbewegung steuern und bedienen lassen. Eine direkte Berührung - beispielsweise eines Displays - soll nicht mehr erforderlich sein. Wie die menschliche Haut auf kleinste Temperaturschwankungen und Druckunterschiede reagieren kann, sollen die neuen Sensoren den Finger bereits erkennen, wenn er sich Bedienoberflächen oder Interfaces nähert. Möglich werden solche Entwicklungen durch spezielle Polymersensoren, die pyro- und piezoelektrische Eigenschaften sowie die notwendigen elektronischen Verstärkungseinrichtungen intelligent vereinen. Die am Projekt beteiligten Unternehmen und Forschungseinrichtungen wollen zudem Verfahrenstechnologien entwickeln, mit denen die Sensoren kostengünstig in Massenproduktion auf Folie gedruckt werden können. Mit maßgeschneiderten Applikationen für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle sollen unter anderem die Märkte der Automobiltechnik, der Baubranche und der Robotertechnologie erreicht werden.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Material- und Nanoexperte
www.materialsgate.de


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