Premierter Hybridleichtbau Metahybride – Wenn aus Hybriden bessere Hybride werden

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Eugen Pfeiffer / Peter Königsreuther

Metahybride heißen die von Automoteam entwickelten Hybridteile mit spezieller Struktur und funktionellen Eigenschaften, die sich den Industriepreis 2018 sichern konnten. Eine echte Weltneuheit, heißt es.

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Metahybride sind Hybridstrukturen aus bestehenden Hybridtypen – eigenschaftsmäßig quasi Werkstoffmix-Überflieger. Sie eröffnen laut Aussage der Experten von Automoteam ganz neue Möglichkeiten für Konstrukteure und Entwickler in vielen Brachen.
Metahybride sind Hybridstrukturen aus bestehenden Hybridtypen – eigenschaftsmäßig quasi Werkstoffmix-Überflieger. Sie eröffnen laut Aussage der Experten von Automoteam ganz neue Möglichkeiten für Konstrukteure und Entwickler in vielen Brachen.
(Bild: Automoteam)

Die konventionellen Kunststoff-Metall-Hybridbauteile kombinieren die Stärken von Kunststoff und massiven Metallen wie Stahl oder Aluminium. Sie ermöglichen dabei die Umsetzung von einfachen Hybridstrukturen, die mit einem Werkstoff allein nicht möglich wären.

Logischerweise kombinieren solche Hybridbauteile aber auch die Schwächen von einzelnen Werkstoffen. So muss etwa in einem dem Verschleiß ausgesetzten Hybridbauteil die Metallkomponente aus Stahl und nicht aus Aluminium verwendet werden. Soll das Hybridbauteil dielektrische Eigenschaften vorweisen, muss die Metallkomponente vom Kunststoff komplett ummantelt werden und kann beispielsweise nicht dem Verschleiß ausgesetzt werden. Das schränkt den Einsatz der üblichen Hybridbauteile bei modernen Anwendungen mit Anforderungen an die Multifunktionalität stark ein.

Überflieger in Sachen funktionalisierter Werkstoffeigenschaften

Das neue technologische Ökosystem Metahybrid erlaubt es aber, dass Polymere und Leichtmetalle mit neuartigen, isotropen sowie anwendungsspezifisch offenporigen oder selektiv-porösen Strukturen und/oder anwendungsspezifisch modifizierten Oberflächeneigenschaften zu einem einmaligen Werkstoffsystem kombiniert werden können.

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Die Metahybrid-Bauteile schaffen neue konstruktive Freiheitsgrade sowie neue strukturelle und multifunktionelle Eigenschaften für die Werkstoffsubstitution und Funktionsintegration. Auch bei Anwendungen mit gegensätzlichen und/oder extremen Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften, punkten sie. Die mehrstufige Kombination von neuen Prozess- und Werkstoffeigenschaften erlaubt die Herstellung nicht nur konventioneller Werkstoffhybride, sondern auch übergeordneter Hybride von Werkstoffhybriden – sogenannter Metahybride.

Die Randschicht mit dem flexiblen Optimierungseffekt

Berücksichtigung von neuen technologischen Möglichkeiten bei der Produktentwicklung eröffnet viele neue, bisher oft undenkbare Potenziale bei Multifunktionalität, Belastbarkeit, Fügbarkeit, Werkstoffverträglichkeit, Gewicht, Bauraum, Ressourcenverbrauch und Wirtschaftlichkeit von Produkten in allen Schlüsselindustrien.

Die funktionellen Schwächen von Leichtmetallen bei Multi-Material Anwendungen können durch eine Funktionalisierung ihrer Oberflächen im Metaker-Surface Verfahren optimiert werden.

Konventionell hergestellte oder 3D-gedruckte Leichtmetall-Bauteile, sowie wasserbeständige Werkstoff-Hybride mit einer Leichtmetall-Komponente, erhalten mit der wirtschaftlichen und sehr umweltfreundlichen Metaker-Surface Technologie eine neuartige Randschicht mit einer Dicke bis zu 200 μm. Diese Schicht ist heterogen, gradiert, multifunktional, mikrostrukturiert, mikroporös und atomar haftend. Eine Metaker-Randschicht ist ein Mikroverbundwerkstoff, dessen Eigenschaften einstellbar und kombinierbar sind. Hier einige Beispiel:

  • Wärme leitend, mikrostrukturiert und abriebfest (Tribologie);
  • dielektrisch und Wärme leitend (elektrische Kühlung, Thermoelektrik);
  • elektrisch leitend und abriebfest (elektrische Kontakte, EMV Abschirmung);
  • wärmeleitend, korrosionsbeständig und Licht reflektierend (LED, IR-Messgeräte);
  • auf dem Untergrund atomar haftend, mikrostrukturiert und aktiviert (Kleben, Laminieren);
  • körperverträglich, mikrostrukturiert und bioaktiviert (Medizin).

So kann ein per Metaker-Methode modifiziertes 99,5-%-Aluminiumblech etwa eine Oberflächenmikrohärte von über 1000 HV, eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von 22 kV/mm und zugleich eine Wärmeleitfähigkeit von 210 W/mK vorweisen.

Eine Autofelge aus Magnesium wird robuster

Nicht nur Aluminium, sondern auch Magnesium kann im Metaker-Surface-Verfahren behandelt werden. Ein markantes Beispiel dafür ist eine Autofelge aus Magnesium. Nach ihrer Metaker-Funktionalisierung, die in einem Arbeitsschritt ohne Vor- und Nachbehandlung und ohne Einsatz von Schadstoffen erfolgt, ist das Rad überaus korrosionbeständig und gegen Steinschlag resistent sowie außerdem haltbar zu lackieren.

Neue Eigenschaftenprofile von Leichtmetallen erlauben bei vielen Anwendungen die schadstofffreie Substitution von schweren bzw. teuren Werkstoffen wie Stahl, Edelstahl, Keramik, Messing, Bronze, PEEK oder aufwändiger Oberflächenverfahren wie Phosphatieren, Chromieren, Chem.-Ni und andere.

Verbesserungschancen im zweistelligen Prozentbereich

Die speziellen Metaker-Oberflächen steigern die Leistungsfähigkeit der Leichtmetall-Bauteile und Werkstoffhybride im Hinblick auf mechanische, elektrische, mechatronische, thermische, chemische, optische, dekorative und andere Anwendungen auf ein bis dato unerreichbares Niveau. So winken Optimierungspotenziale in Sachen Gewicht, Funktion, Lebensdauer, Wirkungsgrad, Ressourcenverbrauch sowie Produkt- und Prozesskosten im mehrstelligen Prozentbereich.

Kochsalz macht die bessere Pore

Openpore-Light-Metals - offenporige Leichtmetalle - werden im Kokillengießverfahren mit verlorenen Platzhaltern aus Kochsalz hergestellt und sind den bekannten Metallschaum- und Sinterverfahren weit überlegen. Dies bezieht sich auf die anwendungsspezifisch einstellbare Porengröße, die serienmäßig reproduzierbare isotrope Porosität, die hohe Stabilität vom Gussgefüge, die Möglichkeit der Herstellung nahezu jeder denkbaren Form durch herkömmliche Metallbearbeitung und die herkömmliche Oberflächenbehandlung.

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Diese Parameter bestimmen die Eigenschaften offenporiger Gussteile

Offenporige Leichtmetall-Gussteile beseitigen die Grenzen zwischen massiven Leichtmetallen und Leichtmetallschäumen. Sie eröffnen zahlreiche neue mechanische, akustische, thermische, elektrische, strukturelle, dekorative und viele weitere Anwendungsmöglichkeiten. Die strukturellen Eigenschaften der offenporigen Gussteile können durch eine Vielzahl an Parametern vorbestimmt werden:

  • die Größe des Salzkorns: von einigen Mikrometern bis zu einigen Zentimetern;
  • die Form des Salzkorns: Brocken aus Naturstein, rund geschliffenes Salz, Formsalz, etc.;
  • die gemischten oder gradierten Salzkornmischungen;
  • die Füllhöhe der Kokille mit Salz: Teilfüllung sorgt für ein teil-poröses Bauteil;
  • Verwendung von anwendungsspezifischen Kokillenformen;
  • Verwendung von Einlegeteilen aus Aluminium, Stahl, Glas, Kupfer, etc.;
  • Variabilität bei einigen Parametern eines Gießprozesses;
  • konventionelle Zerspanung und Oberflächenbehandlung des porösen Bauteils;
  • Herstellung selektiv teilporöser Leichtmetallteile;
  • Herstellung von Werkstoff-Hybriden aus teilporösen Leichtmetallen und anderen Werkstoffen;
  • Funktionalisierung von Leichtmetalloberflächen im Metaker-Surface-Verfahren;
  • Verwendung von konventioneller Fügetechnik wie Zusammengesetzen, Verschrauben, Verpressen, Nieten, Kleben, Löten sowohl im massiven, als auch im porösen Bauteilbereich.

Offenporiger Aluminiumguss bietet als Werkstoff eine homogene Volumenporosität von 55 (±5 %) bei einer Dichte von circa 1,3 g/cm³. Die Porengröße ist beliebig ab 5 μm aufwärts einstellbar. Die Herstellung im einfachen Kokillenguss eignet sich sowohl für kleine, als auch für sehr große Stückzahlen.

Die Anwendungsmöglichkeiten sind immens:

Bereits in der Standardausführung bietet das neue Material ein hohes Potenzial für viele verschiedene Anwendungen: Filtrieren, Dämpfen, Trennen, Verteilen, Regeln, Drosseln, Fördern, Flammsperren oder Schützen, insbesondere als leichtere, bessere und günstigere Alternative zu Sinterbronze oder Sinterstahl.

Ganz neuartige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen offenporige Leichtmetalle durch ihre besonderen Eigenschaften für den funktionsintegrierten Leichtbau, multifunktionale Werkstoffhybride, integrierte, multifunktionale Crashelemente, integrierte Wärmeübertrager, Energie- und Wärmespeicher, Werkzeuge für das Thermoformen und Partikelschäume, dekorative Produkte und viel mehr. Die unabhängige, hochkarätig besetzte Jury des Industriepreis 2018 zeichnete Metahybrid als Best-of-Lösung in der Kategorie „Forschung & Entwicklung“ aus.

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