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Die Zukunft der Oberfläche

Wie man durch intelligente Kombination bessere Ergebnisse erzielt.

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Funktionaler und belastbarer, und dazu kleiner und leichter – gewünschte Merkmale eines Bauteils, wie sie widersprüchlicher kaum sein könnten. Das ist Alltag für Thomas Lampke, Professor für Werkstoff- und Oberflächentechnik an der TU Chemnitz. Er erzählt uns, welche Antworten Forschung und Entwicklung auf solche Anforderungen bereithält.

Den Dingen so lange nachgehen, bis man sie erkennen und verstehen kann. Den Bogen vom Atom bis zum fertigen Bauteil spannen. Den ›Dreiklang‹ aus Prozess, Werkstoffaufbau und Eigenschaftsprofil optimieren. Das macht für ihn den Reiz der Werkstoffforschung aus: Prof. Dr. Ing. Thomas Lampke ist Leiter der Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik an der Technischen Universität in Chemnitz (Deutschland).

Der Weg nach Chemnitz stand für ihn schon bald nach seinem Maschinenbaustudium in Bremen fest. Anfang der 1990er Jahre, nach der deutschen Wiedervereinigung, wollte er hier weiter Studieren und Forschen. Promotion, Habilitation und Forschungsaufenthalte als ›Visiting Professor‹ in Ontario, Kanada, und Limoges, Frankreich, schlossen sich an, danach Lehrtätigkeiten in Chemnitz und an der Universität Paderborn, Deutschland. Die Gestaltung technischer Oberflächen mit funktionalen Aufgaben, Hybridstrukturen sowie die Entwicklung kombinierter Oberflächentechniken haben es ihm angetan. Innovationen seien häufig werkstoffgetrieben, sagt er.

Noch wichtiger ist ihm jedoch die Langfristperspektive. Forschung, die auf echter Neugier basiert und nicht vordergründig durch erwarteten Nutzen getrieben ist. Nur eine Forschung, die auch die Bedürfnisse der Gesellschaft aufgreife, und diesen mit reproduzierbaren Ergebnissen und validen Erkenntnissen aus der Grundlagen- ›und‹ Anwendungsforschung gerecht werde, könne technischen Vorsprung sichern und Wohlstand fördern. Das ›und‹ ist ihm dabei wichtig, das eine dürfe das andere nicht ausschließen.

Und: Forschung brauche Kontinuität, ohne dabei an Aktualität zu verlieren. Wohl auch deshalb steht für ihn die Frage danach, mit welchen Materialien und Werkstoffen eine nachhaltige, energieeffiziente Produktion und die Nutzung von Produkten gelingen könne, im Vordergrund. Und das sei vielmehr eine gesellschaftspolitische, und weniger eine technische Fragestellung.

Prof. Lampke, können wir dieser Frage als Erstes nachgehen: Was verbinden Sie mit dem Begriff Nachhaltigkeit in Bezug auf die Werkstofftechnik?

Nachhaltigkeit heißt für mich, etwas wirklich von der Wiege bis zur Bahre zu denken. Dabei sehe ich zunächst die stoffliche Verfügbarkeit: Sind die Werkstoffe in genügend großen Vorräten vorhanden? Sind deren Lagerstätten – oftmals in Krisengebieten – geologisch zugänglich und ist eine Gewinnung aus politischen, ökonomischen und ökologischen Betrachtungen vertretbar? Welche Wertschöpfung ist mit diesen Stoffen möglich, zumal zum Beispiel Seltene Erden und Edelmetalle hoch spekulativ an den Börsen gehandelt werden? Diese Aspekte sind große Innovationstreiber.

Neben der Frage der Energieeffizienz.

Richtig. Bionisch optimierte Werkstoffe, Leichtbau – das ist ein Megatrend. Aus unserer Sicht bedingt dies eine ›bivalente Strategie‹: Wenn wir in der Herstellung energieeffizient sind, dann wollen wir das genauso in der Nutzung sein. Und da kann der stoffliche und konstruktive Leichtbau eine große Hilfe sein – mit den richtigen Werkstoffen an der richtigen Stelle. Da schließt sich der Kreis von Verfügbarkeit, über die Anwendung einer Komponente bis hin zum Recycling.

Müssen moderne Werkstoffe nicht auch immer mehr ›leisten‹?

Eine der Anforderungen an moderne Werkstoffe ist tatsächlich, dass mit deren Verwendung die Leistungsdichte eines Bauteils gesteigert werden kann. Mit immer komplexeren Geometrien und größerem Kostendruck wird auch das Beanspruchungsprofil herausfordernder. ›Leicht‹ und ›gut herstellbar‹ sind lediglich zwei notwendige, aber keinesfalls hinreichende Forderungen. Wenn auch die wichtigsten.

Werkstoffe müssen mehr leisten, aber vermutlich auch länger halten?

Ja, die Standzeiterhöhung ist ein großes Thema, an dem wir im Übrigen gemeinsam mit Oerlikon forschen. Mit immer leistungsfähigeren Systemen, beispielsweise Hochleistungstriebwerke in der Luftfahrt, gibt es auch immer häufiger thermisch außerordentlich belastete Komponenten, wo eine Standzeiterhöhung unabdingbar ist. Das ist zwar schon in guter Weise heutzutage gelungen, wenngleich gerade in solchen Anwendungen die Anforderungen an Leistungsverdichtung, Langlebigkeit und Robustheit überproportional gestiegen sind.

Welche Möglichkeiten zur Standzeiterhöhung bieten sich in diesem Fall an?

Eine der Möglichkeiten, dies zu erreichen, sehen wir in einer kombinierten Oberflächentechnik. Über verschiedene im Grunde bekannte Verfahren versuchen wir in relativ einfacher, geschickter Weise neue Schichtmorphologien und Schichtstrukturen entstehen zu lassen. Erste Ergebnisse deuten Standzeiterhöhungen im zweistelligen Prozentbereich an.

Wie löst man dies konkret für diese Anwendung?

Aus der Untersuchung von Alterungsprozessen ist bekannt, dass man die Sauerstoffaufnahme des Werkstoffes steuern und begrenzen muss. Oxidationsprozesse verändern den metallischen Werkstoff. Die Morphologie ändert sich, der Werkstoff versprödet. Es kommt rasch zu Rissen, die dann zum vollständigen Versagen führen können. Bei unserer konkreten Zusammenarbeit geht es um den Auftrag Aluminium-basierter Zwischenschichten, die als Interdiffusionsschicht sogenannte TGO-Layer (Thermally Grown Oxides) bilden und damit die Verbindung von Haftschicht und Deckschicht stabilisieren. Das Wachstum von unerwünschten Phasen wird unterdrückt, und die Barrierewirkung scheint sehr positiv zu sein.

›Kombinierte Oberflächentechnik‹ ganz allgemein ist einer Ihrer Forschungsschwerpunkte. Weshalb?

Sehr häufig kann das Eigenschaftsprofil eines Bauteils – und dabei geht der Blick sofort auf die Kosten – nur durch Verwendung günstiger Werkstoffe sowie Oberflächen- und Beschichtungsverfahren erzielt werden. Generell bin ich der Auffassung, dass ein Verfahren Mittel zum Zweck sein muss, und nicht aufgrund des jetzigen Knowhows eines Unternehmens in zukünftigen Prozessketten Verwendung finden sollte. Wenn man durch die Weiterentwicklung eines Verfahrens Fortschritte erzielt, so ist das eine Möglichkeit. Darüber hinaus kann auch die Interaktion verschiedener Verfahren aus technischer und ökonomischer Sicht Mittel zum Zweck sein. Vorausgesetzt, die Prozessfähigkeit ist gegeben.

Was heißt das genau?

Konkret heißt das in diesem Fall, dass man versucht, Prozesse zu kombinieren: Beispielsweise indem man eine in Dünnschichttechnik, PVD oder CVD (Physical/Chemical Vapor Deposition), aufgebrachte Schicht durch eine zweite, mit einem anderen Prozess aufgebrachte Schicht, verstärkt. Das könnte beispielsweise thermisches Spritzen oder Galvanotechnik sein.

Aber an den Schnittstellen Verfahren/Prozess/Werkstoff muss noch viel Arbeit geleistet werden. Das Problem ist, dass das jeweilige Prozessverständnis, insbesondere bei relativ kleinen, hochspezialisierten Firmen nur disziplinär in einer Technologie vorhanden ist. Da wiederum sehe ich die große Chance von Unternehmen wie Oerlikon: Sie beherrschen verschiedene Technologien und nutzen bereits deren Kombination, oder streben dies an.

Welche Treiber sehen Sie insbesondere für die Kombination verschiedener Verfahren?

Einen Treiber für die kombinierte Oberflächentechnik sehe ich in der Substitution hochpreisiger Substrat- oder Beschichtungswerkstoffe. Hier könnte man durch den Auftrag einer Schicht oder durch thermische, chemische beziehungsweise thermo-chemische Behandlung in der Kombination sehr gute Eigenschaften erzielen.

Einen anderen gibt es sicher in der additiven Fertigung. Sie wird die klassischen Prozesse tatsächlich disruptiv verändern, aber sie wird nicht alle Fertigungsverfahren ablösen können. Das ist alleine kostenmäßig kaum möglich. Deshalb wird man bei gedruckten Strukturen für hochbelastbare Bauteile ein entsprechendes Wärmebehandlungs- oder Oberflächenverfahren nachschalten. Damit die Bauteileigenschaften entstehen, die tatsächlich benötigt werden. Struktureigenschaften und Oberflächeneigenschaften sind dabei wirklich zwei ganz unterschiedliche Themen.

Eine weitere interessante Anwendung für die Oberflächentechnik sind Leichtbaustrukturen. Also wirklich sehr leichte Komponenten, zum Beispiel auf Basis von Hochleistungspolymeren, wie Polyetheretherketon (PEEK), oder kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffen (CFC), die wir durch thermisches Spritzen funktionalisieren. Anhand eines Demonstrators konnten wir in Chemnitz ein herausragendes Ergebnis erzielen: Mit kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), in diesem Beispiel auf der Basis von Polyamid, ist eine Funktionalisierung durch Bronze, Stahl oder INVAR-Mehrlagenschichten gelungen, mit der sich eine 50-prozentige Massereduktion und eine um bis zu 90 Prozent reduzierte thermische Längenausdehnung erreichen ließ.

Welche neuen Werkstoffe beschäftigen Sie?

Da gibt es viele Ansätze. Ein sehr spannendes Thema sind die sogenannten Hochentropie-Legierungen (HEA, High Entropy Alloy). Sie bestehen nicht aus einem Hauptelement und wenigen weiteren Legierungselementen in geringer Konzentration, sondern aus einer gleichwertigen Mischung von meist vier oder fünf metallischen Elementen. Sie wurden vor etlichen Jahren schon entdeckt, weisen eine außerordentlich hohe Festigkeit auf und sind temperatur- sowie verschleißbeständig.

Da drängt sich natürlich die Frage auf, ob man diese Eigenschaften, die man im ›Vollmaterial‹ erkennt, auch durch Oberflächentechniken übertragen kann. Hierzu forschen wir in Chemnitz sehr intensiv. Beispielsweise in der Applikation ganz neuer Werkstoffe auf der Basis von Hochentropie-Legierungen durch thermisches Spritzen.

Ebenso interessant erscheint uns der Einsatz amorpher Metalle in der Oberflächentechnik. ›Metallische Gläser‹ sind meist eisenbasierte, amorph erstarrende Metall-Legierungen, die ganz einzigartige physikalische Eigenschaften haben: sie sind härter und korrosionsbeständiger als gewöhnliche Metalle. Nun forschen wir daran, die grundsätzlich vorhandenen Vorteile metallurgisch und über die Erstarrung so zu steuern, dass wir mechanische und physikalische Eigenschaften maximieren können.

Haben die ›alten‹ Werkstoffe ausgedient?

Ganz sicher nicht: Wir interessieren uns auch wieder viel mehr für gut verfügbare und einfache Werkstoffe und deren Weiterentwicklung. Selbst das gute alte Eisen und der Stahl sind durch neue Entwicklungen sehr modern geworden. Gerade Stahl, im Hinblick auf weiter steigende Festigkeiten bei hinreichender Duktilität und Zähigkeit, Verfügbarkeit, Recyclebarkeit und nahezu unerschöpflichen Gestaltungsmöglichkeiten ist ein begehrter und hochinteressanter Werkstoff. Ein Ende ist für mich jedenfalls nicht absehbar.

Wenn Sie die verschiedenen Facetten der Werkstoffentwicklung zusammenfassen wollten: Was steht für den Werkstoffwissenschaftler an erster Stelle?

Wissenschaft ist immer getrieben vom Hinterfragen und vom Anspruch, wirklich zu verstehen, wie die Dinge sind. Viele Effekte und Zusammenhänge sind der Werkstoffwissenschaft grundsätzlich bekannt, deren Nutzung und Übertragbarkeit stehen häufig bei der Suche nach konkreten Lösungen im Fokus. Dass dies für die Oberflächentechnik von großer Bedeutung ist, wird anhand von Korrosion und Verschleiß deutlich. Und das kommt nicht von ungefähr: Schätzungen zeigen, dass je 4 Prozent des Bruttonationaleinkommens (BNE) verloren gehen durch Schäden in Folge von Korrosion und Verschleiß. Jährlich. Für Deutschland beträgt das BNE im Jahr 2017 rund 3,3 Billionen Euro. Zwei mal 4 Prozent sind 265 Milliarden Euro. Ich würde meinen: ein bedeutender Betrag. Die allgemeine Auffassung ist, dass wenn es gelänge, das bereits vorhandene Wissen in die Anwendungen zu transferieren, man diesen Schaden jetzt schon um 20 Prozent reduzieren könnte.

Soll das heißen: Wir wüssten heute schon, wie wir Werkstoffe bezüglich Korrosion und Verschleiß verbessern können, tun es aber nicht?

Das ist, wenn man so will, das Problem der Wissenskaskade: Ehe sich durchsetzt, was wissenschaftlich bekannt und technisch möglich ist, braucht es große Anstrengungen, um die Innovationen zu leisten. Natürlich kostet das unter Umständen zunächst Geld. Aber das spart man auf der anderen Seite auch wieder ein. Hier wäre also ein Beharrungszustand kontraproduktiv.

Nicht zuletzt deshalb ist die Verknüpfung von guter universitärer Lehre, Forschung im Bereich der Grundlagen sowie der Anwendung und der Erkenntnistransfer über ›Köpfe‹ in die Unternehmen von entscheidender Bedeutung für den Standort Europa und die Sicherung unseres Wohlstands. Dazu bieten wir in Chemnitz wieder einen sehr attraktiven Diplom-Studiengang an!

Eines ist jedenfalls sicher: Mein Team und ich haben ›Lust auf Zukunft‹!

Herzlichen Dank für das Gespräch.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Lampke promovierte 2001 an der TU Chemnitz. Seit 2008 ist er Inhaber der Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik an der dortigen Fakultät für Maschinenbau. Er ist Mitglied des Senats der TU Chemnitz und seit 2016 Dekan der Fakultät für Maschinenbau. Prof. Lampke ist außerdem Fachkollegiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), arbeitet in verschiedenen Gremien wissenschaftlich-technischer Verbände mit und ist Gutachter einer Vielzahl renommierter internationaler Fachjournale.

 

https://www.tu-chemnitz.de/mb/WOT/

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