Symposium

Material Innovativ 2016

Werkstoffe und Fertigungstechnologien für die Mobilität von Morgen
23. Februar 2016, Congress Centrum, Würzburg

Bericht

Bis 2020 sollen mindestens eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren. In 40 Jahren wird der städtische Verkehr so gut wie auf fossile Brennstoffe verzichten können. Eines der Ziele der Bundesregierung ist die Etablierung von elektrisch angetriebenen Fortbewegungsmitteln wie Automobilen und Flugzeugen. Doch wo der Schienenverkehr bereits auf mehrere Jahrzehnte Erfahrung zurückblicken kann und den Vorteil einer sehr gut ausgebauten Infrastruktur mit sich bringt, stehen andere Verkehrsmittel noch ganz am Anfang. Gerade die Elektromobilität und der damit verbundene Wechsel zu umweltfreundlichen und nachhaltigen Technologien birgt immer wieder neue Herausforderungen. So müssen Elektroautomobile und Flugzeuge nicht nur leichter, sondern auch die Batterien leistungsfähiger werden, um den Kundenwunsch nach immer größerer Reichweite zu erfüllen. Gerade in diesen Bereichen spielen Leichtbaukonzepte, wie sie beispielsweise durch die Additive Fertigung oder moderne Fügetechnologien ermöglicht werden, eine wichtige Rolle.

Das Symposium Material Innovativ 2016 richtete in diesem Jahr seinen Fokus auf neue Werkstoff- und Fertigungskonzepte für die Mobilität von Morgen. Zu den diskutierten Themen zählten Multi-Material-Design (MMD), Additive Fertigung und neue Werkstoffe für Energiespeicher und Energieträger. Mehr als 200 Teilnehmer und 22 Aussteller aus Industrie und Wissenschaft folgten dem Ruf nach Würzburg, um an der jährlich durch das Cluster Neue Werkstoffe und die Bayern Innovativ GmbH ausgerichteten Veranstaltung teilzunehmen. Rund 20 renommierte Experten aus Unternehmen und wissenschaftlichen Institutionen, darunter Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. KG, Siemens AG, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Magna Steyr AG, Volkswagen Varta Microbattery Forschungsgesellschaft GmbH, Max-Planck Institut, Technische Universität Braunschweig oder das Fraunhofer ISC vermittelten den Teilnehmern aus Industrie und Forschung ein ganzheitliches Bild aktueller Möglichkeiten für neue Forschungsrichtungen und Entwicklungsprojekt

„Die deutsche Spitzenforschung wird im internationalen Vergleich nicht stark genug wahrgenommen“

Prof. Dr. Ferdi Schüth, Institutsleiter des Max-Planck-Instituts für Kohleforschung und Vize-Präsident der Max-Planck-Gesellschaft

Im Rahmen des einführenden Plenums zeichnete zunächst Professor Ferdi Schüth, der Institutsleiter des renommierten Max-Planck-Instituts für Kohleforschung und Vize-Präsident der Max-Planck-Gesellschaft, ein Bild der deutschen Forschungslandschaft hinsichtlich der Werkstoff- und Materialwissenschaften im internationalen Wettbewerb. Anhand der gezeigten Datenbankrecherchen wurde deutlich, dass nach derzeitigem Stand die deutsche Spitzenforschung im internationalen Vergleich nicht stark genug wahrgenommen wird, um auch in Zukunft für internationale Spitzenforscher attraktiv zu sein. Dabei gilt aber zu beachten, dass die meisten der gezeigten Datenbanken naturwissenschaftlich geprägte Ingenieursstudiengänge und deren Absolventen nicht oder nur geringfügig berücksichtigen. Dennoch wurde deutlich, dass die Sichtbarkeit der deutschen Forschung im Bereich der Materialwissenschaften weiter erhöht werden muss.

„Kooperative Forschung an Grundlagen und Produktionsweisen muss Hand in Hand mit der derzeitigen Marktentwicklung funktionieren“
Prof. Dr. Peter Weidinger, Brose Fahrzeugteile GmbH

Im folgenden Vortrag stellte Professor Peter Weidinger die Arbeiten der Brose Fahrzeugteile GmbH in Bezug auf Materialanforderungen für moderne Leichtbaukonzepte dar. Dabei betonte er die Wichtigkeit der kooperativen Forschung an Grundlagen und Produktionsweisen, welche Hand in Hand mit der derzeitigen Markentwicklung funktionieren muss. Darüber hinaus gilt es, aktuelle und zukünftige Verordnung wie zum Beispiel REACH, Normen und die globale Verfügbarkeit von Werkstoffen zu berücksichtigen.

„Eine Fragestellung kann zumeist nur durch das Zusammenspiel von Grundlagenforschung, Prozessentwicklung, Simulation und gesetzlichen Vorgaben zufriedenstellend beantwortet werden“
Dr. Mykhalyo Filipenko,  Siemens AG

Unterstützt wurden diese Aussagen durch die Vorträge von Professor Heinz Voggenreiter vom DLR Stuttgart und Dr. Mykhalyo Filipenko von Siemens, die über die Anforderungen und Bedürfnisse der Luftfahrt an die Werkstoffwissenschaften insbesondere in der Zukunft vortrugen. Dabei wurde deutlich, dass moderne Fertigungs- und Leichtbaukonzepte wie das Multi-Material-Design nur ganzheitlich betrachtet werden können. Dies bedeutet, dass eine Fragestellung zumeist nur durch das Zusammenspiel von Grundlagenforschung, Prozessentwicklung, Simulation und gesetzlichen Vorgaben zufriedenstellend beantwortet werden kann. Dies zeigte Dr. Mykhalyo Filipenko am Beispiel seiner Arbeiten im Bereich des elektrischen Fliegens. Hier war es nicht nur notwendig, leistungsfähige elektrische Motoren, Speicher und Systeme zu entwickeln, sondern auch neue Wege für das Rumpfdesign und die verwendeten Werkstoffe und Fertigungstechnologien zu beschreiten.

„Es müssen Schnittstellen zwischen den einzelnen beteiligten Wissenschaftlern über deren jeweilige Fachgebiete hinaus geschaffen werden“
Prof. Dr. Heinz Voggenreiter, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Professor Voggenreiter unterstrich diese neuen Wege durch die von ihm gezeigten Arbeiten und Arbeitsweisen am DLR. Diese verknüpfen geschickt die Prozess- und Werkstoffsimulation mit der Datenerhebung, der Werkstoffentwicklung und der Prozessentwicklung, um neue leichtere Rumpfstrukturen für Luftfahrzeuge zu entwickeln. Es ist wichtig, bestehende Datenbanksysteme miteinander zu verbinden und Schnittstellen einzurichten, um die Kommunikation zwischen den Systemen vom fertigen Bauteil zurück zur Werkstoffentwicklung zu ermöglichen. Zudem müssen Schnittstellen zwischen den einzelnen beteiligten Wissenschaftlern über deren jeweilige Fachgebiete hinaus geschaffen werden. Erst auf diese Weise wird es möglich, Industrie 4.0 vollständig umzusetzen.
Abschließend pflichteten alle Vortragenden in ihren Vorträgen Professor Ferdi Schüth bei und betonten die Wichtigkeit der Aus- und Weiterbildung. Das Wissen um Neuentwicklungen, neue Wege und Denkweisen sollten und müssen immer im Hinblick auf aktuelle und zukünftige technologische Entwicklungen in die Ausbildung einfließen.

Plenarvorträge

Vortragsreihe A1

Fügetechnologien – Multi-Material-Design

Diese Vortragsreihe hatte als Schwerpunktthemen Multi-Material-Design und Hybridstrukturen, welche immer mehr in den modernen Leichtbau einfließen. Neben Arbeiten zum Fügen von Aluminium und Kunststoffen wurden unter anderem Ergebnisse zu Metall-CFK-Hybriden, die klebstofffrei hergestellt werden können, gezeigt. Diese Mischstrukturen sind leichter zu recyceln als bisher durch Kleben gefügte Bauteile.

Vortragsreihe A2

Fertigungstechnologien – Additive Fertigung

Zu Beginn dieser Themenreihe stellte Professor Dietmar Drummer die Möglichkeiten, aber auch Grenzen der Additiven Fertigung vor. Er vermittelte den Teilnehmern ein Gesamtbild des derzeit Möglichen und wies auf die Wichtigkeit der Weitererforschung und -entwicklung dieses Themas hin. Dabei müssen Fragestellungen von 3D-Druck gerechtem Bauteil-Design über die Wahl der richtigen Fertigungsmethode bis hin zur Optimierung der verwendeten Rohstoffe und der Fertigungsparameter adressiert werden. Anschließend ging Frau Professorin Carolin Körner auf die Arbeiten zum Electron-Beam-Melting-Verfahren (EBM) ein, das eine Fertigung des Bauteils unter Vakuum erlaubt. Am ZMP - Zentralinstitut für Neue Materialien und Prozesstechnik - werden Superlegierungen wie Titanaluminide, welche vor allem für die Luftfahrt interessant sind, untersucht. Weiterhin ermöglicht die Verwendung dieses Verfahrens durch die direkte Kontrolle der Wärmebehandlung einer Schicht, neuartige Werkstoffeigenschaften zu erzeugen. Den Abschluss bildete der Vortrag von Dr. Heinz Neubert, der die derzeitigen Arbeiten und Themenschwerpunkte im Feld der Additiven Fertigung von Metallen bei Siemens vorstellte. Ihm zufolge ist es notwendig, nicht nur die vorhandenen Verfahren und Werkstoffe weiterzuentwickeln, sondern auch Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, mit welchen die Prozesse simuliert und verstanden werden können. Derzeit wird im Bereich der Additiven Fertigung, vor allem bei den verwendeten Maschineneinstellungen und Parametern, noch nach der „trial-and-error-Methode“ gearbeitet.

Vortragsreihe B1

Materialien für die Energiespeicherung

Im Bereich der Energiespeicherung wurden zunächst Arbeiten von SGL und Volkswagen/VARTA zur Entwicklung und den erwarteten Eigenschaften von Silizium-Kohlenstoff-Anoden vorgestellt, welche deutlich höhere Kapazitäten versprechen. Hierfür müssen aber verschiedene Probleme gelöst werden, allen voran die Volumenänderung der Siliziumbestandteile während der Lade- und Entlade-Zyklen. Diese führen zu Spannungsrissen im Material und verringern die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit dieser neuen Batteriematerialien. Abschließend wurden im Vortrag des Fraunhofer ISC Methoden zur Charakterisierung der Batterielebensdauer und verschiedener Batteriearchitekturen vorgestellt, die derzeit in einem öffentlich geförderten Projekt untersucht werden.

Vortragsreihe B2

Materialien für Energieträger und Energieumwandlung

In der Nachmittagsreihe B2 wurden die Themen Elektroyse, Seltenerdenersatz und Kohlenstoffmaterialien für Superkondensatoren behandelt. Hier wurde zunächst gezeigt, welche Substitutionen von Seltenen Erden in modernen Permanentmagneten möglich sind und in welchen Mengen. Eingegangen wurde auch auf die Rückgewinnung dieser, im Zusammenhang mit einem immer effizienteren Materialeinsatz. Ergänzt wurde diese Reihe durch einen Vortrag über die Arbeiten von AREVA im Bereich der Polymerelektrolyth-Elektrolyseure. Diese zeigen den derzeitigen Trend zu neuen Membranpolymeren und Hybridzellen bis hin zu dünneren Membranen und höheren Betriebstemperaturen. Im abschließenden Vortrag der Reihe wurden neue Entwicklungen zu kohlenstoffbasierten Superkondensatoren vorgestellt. Diese versprechen deutlich höhere Leistungsdichten. Allerdings müssen Fragestellungen rund um die Porenweite der eingesetzten Kohlenstoffmaterialien und die optimale Partikelgröße weiter untersucht werden.

Das Symposium wurde von einer begleitenden Ausstellung sowie einer wissenschaftlichen Poster-Ausstellung ergänzt. Darüber hinaus hatten Aussteller die Möglichkeit, sich in Pitches mit Kurzbeiträgen im Ausstellungsbereich vorzustellen. Im Rahmen der in die Ausstellung integrierten Speakers Corner konnten die Teilnehmer direkt Fragen mit den Vortragenden diskutieren.

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