Materialien der Zukunft

Heraeus Amloy: Amorphe Metalle im Leichtbau

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Ob im Bereich E-Mobilität, in der Luft- und Raumfahrt oder in der Medizintechnik – technische Innovationen brauchen neue Werkstoffe. Amorphe Metalle vereinen besondere und sich bislang teils ausschließende Eigenschaften und gelten daher als die entscheidenden Materialien der Zukunft. Ihre Verarbeitung in Serienproduktion hat gerade erst begonnen und eröffnet völlig neue Möglichkeiten. Amorphe Bauteile lassen sich endformnah herstellen und reduzieren damit die Wertschöpfungskette in der Produktion. Dies verkürzt die Durchlaufzeit, senkt den Energieverbrauch und steigert die Ressourceneffizienz.

Katharina Reichel, Manager International Media, Heraeus Holding GmbH, Hanau

Inhaltsverzeichnis

1. Innovatives Material für neue Ideen
2. Bereit für die Serienproduktion

Technische Anwendungen werden kleiner: Miniaturisierung ist die Maßgabe für zahlreiche Technologiefelder. Gleichzeitig steigen die Belastungen für die immer kleineren Bauteile. Stahl hat dabei in weiten Anwendungsgebieten längst seine Grenzen erreicht. Der Schlüssel zum Erfolg von Elektromobilität, Energiewende und Medizin der Zukunft ist deshalb die Verwendung neuer Werkstoffe: Amorphe Metalle sind echte Multitalente und vereinen Eigenschaften, die sich bisher gegenseitig ausschlossen. Sie sind extrem fest und hochelastisch zugleich. Außerdem zeigen sie sehr gute Federeigenschaften, sind äußerst korrosionsbeständig und schockabsorbierend. Grund dafür ist ihre ungeordnete, nicht kristalline Struktur. Sie sind quasi eingefrorene Schmelzen.

Die Herausforderung in der Herstellung und Verarbeitung der amorphen Metalle besteht darin, dass die Atome in der Schmelze beim Erstarren ihre amorphe Anordnung beibehalten. „Bei der Erzeugung von amorphen Metallprodukten benötigte man bisher extrem hohe Abkühlraten von 1.000.000 K/s, um die Schmelze schockzufrosten. Dank Materialoptimierung kommen wir jetzt mit Abkühlraten von etwa 100 K/s aus“, sagt Jürgen Wachter, Leiter der Geschäftseinheit Heraeus Amloy. Dadurch haben die einzelnen Atome keine Möglichkeit, ein geordnetes Metallgitter zu bilden, wie es für einen kristallinen Zustand typisch ist. „Die eingefrorenen metallischen Flüssigkeiten nennt man auch metallische Gläser – doch sie sind alles andere als fragil“, ergänzt er.

Innovatives Material für neue Ideen

„Durch die besonderen Materialeigenschaften ist es möglich, Bauteile konstruktiv so zu verändern, dass diese sich dünner oder kleiner herstellen lassen“, erklärt Valeska Melde, Marketing & Sales Manager bei Heraeus Amloy. Ein enormer Vorteil für stark belastete Teile, die – wie etwa Getriebeteile – häufig verschleißen. Ein weiterer Pluspunkt ist die geringe Dichte der amorphen Metalle, die unterhalb der von Stahl liegt. Das spart Gewicht – eine der größten Herausforderungen für Innovationen in E-Mobilität oder Luft- und Raumfahrt. „Unsere Weiterentwicklungen der amorphen Metalle sind ein wesentlicher Treiber, um Reichweiten in der E-Mobilität zu erhöhen und Energiekosten in Luft- und Raumfahrt zu senken“, sagt Melde. Die jüngste Entwicklung von der Heraeus Holding GmbH basiert auf amorphen Legierungen aus Zirkonium oder Kupfer. „Die Legierungen fertigen wir direkt einsatzbereit und optimiert für den Spritzguss oder die Additive Fertigung“, ergänzt sie.

Ihre Vielseitigkeit macht amorphe Metalle zu Kandidaten für diverse Hightech-Anwendungen: verschleißfeste Zahnräder und Antriebskomponenten, stabile Federungen, Membranen in Einspritzdüsen und für Sensorik, Gehäuse für Unterhaltungselektronik, abriebfeste Uhrwerksbauteile oder auch Sport-Equipment. „Noch steht das Material am Anfang seiner industriellen Verwendung. Doch wir arbeiten mit unseren Partnern intensiv daran, die Serienproduktion für neue Anwendungen weiterzuentwickeln“, sagt Melde. Um fertige Bauteile wie Zahnräder oder Getriebeteile am Fließband herstellen zu können, hat der Hanauer Technologiekonzern Heraeus die Geschäftseinheit 2017 neu gegründet. Bei Heraeus Amloy stehen die Forschung und Entwicklung von amorphen Metallen im Fokus. Das Unternehmen ist spezialisiert auf die Herstellung und Verarbeitung dieser besonderen Werkstoffe und weltweit der wohl einzige Anbieter, der sie umfassend verarbeiten kann: neben spritzgießen auch schmelzen, verformen und additiv fertigen.

Bereit für die Serienproduktion

Besonders mittels Spritzguss lassen sich schon heute hohe Stückzahlen produzieren. Dabei werden die Legierungen induktiv aufgeschmolzen und im flüssigen Zustand in eine Form eingespritzt, wo sie amorph erstarren. Die Heraeus-Experten haben die Materialkomposition angepasst und den Fertigungsprozess gemeinsam mit ihrem Partner, dem Spritzgießmaschinenhersteller Engel Austria, vollautomatisiert. Der Produktionsdurchlauf verkürzt sich im Vergleich zu bisherigen Lösungen um bis zu 70 % – und benötigt 60 % weniger Heizleistung. Dadurch macht Heraeus Amloy das Spritzgießen deutlich kosteneffizienter. Die Spezialisten setzen aber bereits weit vor dem eigentlichen Verarbeitungsprozess an: „Wir simulieren das Fließverhalten der amorphen Metalle und analysieren, ob sich das Fertigungsverfahren für das spezifische Bauteil eignet und welche Optimierungen am Design machbar sind“, erklärt Wachter. So lassen sich beispielsweise komplexe Bauteile für die Automobilindustrie in einem einzigen Produktionsschritt und ohne jede Nachbearbeitung herstellen. Das spart Zeit und Kosten.

Auch unkonventionelle Teile sind mit amorphen Metallen realisierbar. Denn das Material lässt sich auch hervorragend mittels 3D-Druck verarbeiten. „Die Additive Fertigung ermöglicht größere Bauteile mit komplexen Geometrien, die mit herkömmlichen Verfahren bisher nicht herstellbar waren“, erklärt Melde. Bei genauer Analyse lassen sich über die besonders hohe Festigkeit der amorphen Metalle Bauteile konstruktiv verändern und in bionischen Strukturen ausführen. „Das spart Gewicht und reduziert die Prozesszeiten der Additiven Fertigung enorm“, so Melde. „Wir nutzen hochreine, sphärische, amorphe Pulver, die speziell für die Additive Fertigung optimiert sind.” Der Vorteil: Selbst herkömmliche 3D-Drucker verarbeiten diese Pulver.

Ob Unikate aus dem 3D-Drucker oder Standardbauteile in Serienproduktion: Amorphe Metalle bieten eine hocheffiziente Möglichkeit, bei kürzeren Produktionszeiten und mit geringerem Energieeinsatz deutlich leistungsstärkere Bauteile herzustellen. bec

Detaillierte Informationen zu den amorphen Metallen:
hier.pro/wOad6

Kontakt:
Heraeus Holding GmbH
Heraeusstraße 12–14
63450 Hanau
Tel.: 06181 35–0
Fax: 06181 35–3550
pr@heraeus.com
www.heraeus.com
Vorsitzender des Aufsichtsrates: Dr. Jürgen Heraeus
Geschäftsführer: Jan Rinnert (Vors.), Dr. André Kobelt, Rolf Wetzel

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