23. Werkstofftechnisches Kolloquium in Chemnitz

In seinen Begrüßungsworten freute sich TU-Chemnitz-Institutsleiter Prof. Thomas Lampke über die mit 190 Teilnehmern sehr gute Beteiligung in Chemnitz. Grußworte von Prof. Andreas Schubert, Dekan der Fakultät für Maschinenbau der TU Chemnitz, und Dr. Klaus Nassenstein, Präsident des Forschungs- und Transfernetzwerkes AiF e. V. folgten. Beide Grußredner betrachten das Kolloquium als wichtige Kommunikationsplattform zum Austausch aktueller Forschungsergebnisse und betonten, dass mehr für die Gewinnung des technischen Nachwuchses getan werden müsse. Aktuell sind die technischen Ausbildungsrichtungen nicht so stark nachgefragt, wie es erforderlich wäre. Nassenstein betonte außerdem die Notwendigkeit des Transfers von Innovationen in die Industrie.

Den Beginn des Kolloquiums bildeten Impulsvorträge von Start-ups sowie von Industrieausstellern. Diese griffen den Gedanken des Transfers von Innovationen auf. Drei Start-ups präsentierten ihre Entwicklungen:

• Die CMMC GmbH, eine Ausgründung der TU Chemnitz, stellte ein neuartiges Herstellungsverfahren für AMC-Werkstoffe (Aluminium Matrix Composite) durch eine Gießtechnologie vor.
• NanoSen, ebenfalls eine Ausgründung der TU Chemnitz, entwickelte ein innovatives Verfahren zur kostengünstigen Massenproduktion von Kraftsensoren aus Nanokompositen.
• MiViA, eine Ausgründung der Bergakademie Freiberg, präsentierte ein schnelles autonomes Mikrostrukturanalysesystem zur Werkstoffqualitätskontrolle in der Industrie.

Rainer Venz von MacDermid Alpha Electronic Solutions im Gespräch mit Prof. Thomas LampkeDie Unternehmen Höganas Germany GmbH, Coventya GmbH, Carl Zeiss GOM Metrology, Polytec GmbH und Evident Europe GmbH offerierten ebenfalls in Impulsvorträgen innovative Lösungen für die Industrie auf verschiedenen Gebieten. Cloeren Technology GmbH, Limess Messtechnik und Software GmbH, ZwickRoell GmbH & Co. KG sowie die Hegewald & Peschke Meß- und Prüftechnik GmbH zeigten ihr Leistungsprofil im Rahmen der Industrieausstellung.

Zum Kolloquium gehörte auch eine Posterausstellung mit 13 Postern aus Deutschland, Polen und Tschechien. In der Postersession am Nachmittag des ersten Vortragstages wurden die Poster in Kurzvorträgen vorgestellt. Die Siegerposter von Dr. Jan Tomastik (Palacky University Olomouc/Olmütz), Jun Xu (Innovent e. V.) und Tobias Heib (Universität des Saarlandes) wurden während der Abendveranstaltung am ersten Konferenztag ausgezeichnet.

Das Kolloquium bot ein umfangreiches Vortragsprogramm mit insgesamt 54 Vorträgen in drei Sessions, neun Übersichtsvorträgen, einem Plenarvortrag und einem Abschlussvortrag. Im Fokus der Vorträge standen aktuelle Forschungsergebnisse aus den Gebieten Thermisches Spritzen, Fügen/Schweißen, Fügen/Löten, Additive Fertigung, Funktionelle Galvanotechnik, Werkstoffcharakterisierung, Verbundwerkstoffe, Korrosion sowie Formgedächtnislegierungen.

Prof. Jonas Hensel, Leiter der Professur Schweißtechnik an der TU Chemnitz, stellte in seinem Übersichtsvortrag die schweißtechnische generative Fertigung von hochfesten Strukturbauteilen mit Lichtbogen und Draht vor. Generative Fertigungsverfahren finden insbesondere in Bereichen Anwendung, in denen geringe Stückzahlen, eine komplizierte Geometrie und ein hoher Individualisierungsgrad gefordert sind. Generative Fertigungsverfahren bieten einige Vorteile, wie die werkzeug- und formlose Fertigung, die Möglichkeit der Erzeugung komplizierter Geometrien, eine flexible Produktion. Am Beispiel großer Kranhaken, machte Hensel deutlich, dass die konventionelle Fertigung in Gießereien sehr lange dauert. Aber es ist zu beachten, dass die additive Fertigung aktuell noch aufwendig und teuer ist.

Session Fügen/Schweißen

Nina Schröder, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, referierte zum Thema „Mikrolegierungseinfluss auf Ausscheidungsverhalten und Kerbschlagzähigkeit geschweißter hochfester Konstruktionsstähle“. Hier wurden systematisch die Effekte unterschiedlicher Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Stahlgüte S690QL bildete die Grundlage für die Untersuchungen. Im Ergebnis konnte der Einfluss der Wärmeeinwirkung des Schweißens auf die Gefügeausbildung in der WEZ (Wärmeeinflusszone) und der korrespondierenden mechanischen Eigenschaften qualitativ beschrieben werden.

Session Additive Fertigung

Impressionen vom Kolloquium sowie von der begleitenden FachausstellungJane Awayes von Siemens Energy Berlin sprach über „Mechanische Werte von gelöteten additiv gefertigten Haynes 282 mit Ni 612 und Ni 660“. Bei Haynes 282 geht es um eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Cobalt-Legierung mit sehr guter Kriechbeständigkeit, die im Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren zur Herstellung von Gasturbinenapplikationen eingesetzt wird. Hier weicht die Mikrostruktur bei additiv gefertigten Werkstoffen allerdings vom konventionellen Gussprozess ab, sodass für den Einsatz in der Gasturbine die nachfolgenden Prozesse, wie Löten und Wärmebehandlung neu qualifiziert werden müssen. Untersucht wurden die Zug- und Scherzugfestigkeit der Legierung. Die Ergebnisse der Zugversuche ergaben, dass das Ni 612-Lot die nominelle Zugfestigkeit des additiv hergestellten Haynes 282-Grundmaterials aufwies. Die Bruchoberfläche liegt in der Diffusionszone. Die Zugfestigkeit von Ni 660 streut stärker, die Werte liegen unter denen von Ni 612.

Mit Karsten Wandtke sprach in dieser Session erneut ein Vertreter der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Thema war der Einfluss trennender Fertigungsschritte auf die Eigenspannung in additiv gefertigten Bauteilen. Hochfester Stahl wird zunehmend in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt. Entsprechende Schweißzusatzwerkstoffe für Lichtbogenschweißverfahren sind kommerziell verfügbar. Jedoch limitieren den industriellen Einsatz fehlende Richtlinien und fehlende quantitative Kenntnisse über die schweißtechnische Beanspruchung während der Fertigung und im Betrieb. Im Ergebnis der Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass insbesondere die Bauteilhöhe einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenspannung hat; die Wandstärke und Bauteillänge dagegen nicht. Die Geometrie hat einen deutlichen Einfluss auf Relaxation und Umlagerung der Eigenspannungen und kann damit die Risssicherheit positiv beeinflussen.

Session Fügen/Löten

Benjamin Sattler vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik der TU Chemnitz hielt im Rahmen der Session einen Vortrag über „Belastbare Fügeverbindungen durch Ni-Nanopartikel“. Sattler sprach über Untersuchungen zum Fügen von Nanopasten, die aus Ni-Nanopartikeln und organischen Komponenten mittels Dispergieren unterstützt durch Ultraschall hergestellt werden. Neben den Eigenschaften der Lösemittelsysteme und Pasten wurden Verbindungsfestigkeiten bei Anwendung auf Ni-Basisgrundwerkstoffen untersucht. Die Pasten mit 90 nm-Partikeln lieferten bei der Festigkeit bessere Ergebnisse als mit 20nm-Partikeln. Bei erhöhter Fügetemperatur wurde 25 % weniger Festigkeit erzielt als bei Raumtemperatur. Das bietet Potenzial für Niedrigtemperatur-Fügeprozesse (Nanofügen).

Prof. Thomas von Unwerth, TU Chemnitz, Professur Alternative Fahrzeugantriebe, sprach in seinem spannenden Übersichtsvortrag ein äußerst aktuelles Thema an: Wasserstoff als Energieträger für mobile Anwendungen – Anforderungen an Speichertechnologien. Er erläuterte Fragen zu Wasserstoff-Herstellung, Speicherung und Transport. Zur Speicherung bieten sich heute physikalisch basierte Verfahren (komprimiertes Gas), flüssiger Wasserstoff und materialbasierte Verfahren (org. Flüssigkeiten, Hydride) an. Aktuell wird die Speicherung in Druckbehältern bevorzugt. Zu beachten sind die Anforderungen an die mobile Speicherung, wie Energiedichte, Leistung, Sicherheit, Kosten. Er machte deutlich, dass für die Speicherung mehrere Ansätze möglich und denkbar sind, jedoch kostengünstige Speichersysteme noch viel F&E-Bedarf erfordern.

Session Wasserstoffspeicherung

Gleich in den beiden folgenden Beiträgen von Philipp Hübner, ebenfalls vom Lehrstuhl Alternative Fahrzeugantriebe, und Andreas Gester vom Institut für Wekstoffwissenschaft und Werkstofftechnik der TU Chemnitz, wurde eine Alternative zur herkömmlichen Speicherung in Druckbehältern vorgestellt: Die Speicherung in Metallhydridspeichern. Philipp Hübner sprach über einen flexiblen und kostengünstigen Prüfaufbau zur Charakterisierung von Metallhydridspeichern, Gester über das Werkstoff- und Mikrostrukturdesign für magnesiumbasierte Hydridspeicher. Für die konventionelle Nutzung dieser Technologie müssen Legierungen entwickelt werden, die eine hinreichend gute Kinetik bei der Wasserstoffaufnahme und -abgabe aufweisen. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden Legierungen auf Magnesium-Basis untersucht, wobei unterschiedliche Druck- und Temperaturbereiche Gegenstand der Untersuchung waren, da diese einen direkten Einfluss auf die Kinetik der Wasserstoffaufnahme und -abgabe haben. Gester informierte über den Einsatz von Katalysatoren zur Beschleunigung der Reaktion des Wasserstoffs mit dem Metall. Hinsichtlich der Beladungsergebnisse weisen Proben in Pulverform ein besseres Wasserstoff-Aufnahmevermögen auf.

Session Randschichthärten

Um die Beseitigung des schädlichen Einflusses der Drehbearbeitung auf die Korrosionsbeständigkeit austenitischer rostfreier Stähle nach der Oberflächenhärtung durch elektrochemische Abtragsverfahren ging es im Vortrag von Robin Berger von der BorTec GmbH. Ziel des Niedertemperatur-Randschichthärtens ist die Verminderung bzw. Verhinderung des Verschleißes durch Abrasion und Adhäsion. Probestäbe aus X5CrNi18-10 wurden zuerst mechanisch bearbeitet und anschließend mit verschiedenen Verfahren und Parametern des elektrochemischen Abtragens (Elektropolieren, Plasmapolieren) oberflächenoptimiert. Im Ergebnis konnte festgestellt werden, dass der Effekt der Oberflächenoptimierung auf die Korrosionseigenschaften gering ist. Minimal bessere Ergebnisse wurden mit der Verwendung saurer Elektrolyte erzielt (größerer Abtrag). Als Arbeitshypothese wurde folgende Technologie postuliert: Mechanische Bearbeitung, Plasmapolieren in einem sauren Elektrolyten, Oberflächenhärten.

Der zweite Konferenztag

Ein Plenarvortrag von Prof. David Rafaja, Leiter des Instituts Werkstoffwissenschaft an der TU Bergakademie Freiberg eröffnete den zweiten Konferenztag. Prof. Rafaja zeigte in seinen Ausführungen die vielfältigen Möglichkeiten von Synchrotonstrahlung in der Material- und Werkstoffforschung auf. Synchrotronstrahlung ist eine extrem intensive Strahlung (geladene Teilchen werden bis auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und senden intensives Licht aus), die u. a. zur Entwicklung neuer Materialien und Technologien angewendet wird. Sie wird an Großforschungsanlagen, in denen geladene Teilchen bis auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und intensives Licht, aussenden, erzeugt. In Deutschland gibt es die Synchrotronstrahlungsquellen PETRA III und FLASH am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg. Prof. Rafaja berichtete in diesem Zusammenhang über die sächsische Initiative zur strategischen Kooperation mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg.

„Innovative Leiterplattentechnologien – Bonden versus Sintern“ war das Thema des Übersichtsvortrages von Rainer Venz, MacDermid Alpha Electronic Solutions. Silbersintern ist eine der neuen Technologien, die zu einer höheren Lebensdauer des gesamten Leistungspakets führt. Silber ist duktil, es hat einen hohen Schmelzpunkt und eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Daher sind insbesondere für eine höhere Leistung und höhere Betriebstemperaturen Ag-Sinterverbindungen sehr vielversprechend. Venz führte aus, dass Sintern dem Kunden ermöglicht, Einsparungen hinsichtlich Größe und Gewicht der Bauteile zu erzielen. Ebenso ist die Wärmeabfuhr besser und die Leistungsdichte kann optimiert werden.

Session Funktionelle Galvanotechnik

Mit Galvanotechnik beschäftigte sich eine eigene Session. Chris Klok, MacDermid Alpha, referierte über galvanische Präzisionsbeschichtung zur Durchkontaktierung von Multilayer-Leiterplatten. Es ging um schwarze Löcher als direkte Galvanisierungstechnologie. Das Hauptprinzip besteht darin, das auf der Oberfläche der Lochwand adsorbierte Kohlepulver zu einer leitfähigen Schicht zu machen, die als leitfähige Zuleitung für eine nachfolgende Verkupferung verwendet werden kann. Vorteile des Prozesses sind das automatische Verfahren, niedrige Temperaturen, weniger Prozessstufen, stabile Chemie sowie die Reduzierung der Kosten. Weiterhin werden weniger Wasser und Strom als bei stromlosem Kupfer verbraucht.

Zweiter Referent der Session war Scott Dombrowe von der Hochschule Mittweida. Hier ging es um die Substitution von Hartchromschichten durch galvanische Legierungsabscheidung von Ni-W aus wässrigen Systemen ohne Citronensäure. Bisher konnte kein Verfahren oder Schichtsystem alle Eigenschaften unter Berücksichtigung der Herstellungskosten von Hartchromschichten vollständig substituieren. Dombrowe stellte aktuelle Versuchsergebnisse des binären Nickel-Wolfram Legierungssystems vor, das galvanisch aus einem Elektrolyten ohne Citronensäure abgeschieden wird. Es konnten rissfreie Schichten auch bei hohen Schichtdicken erzeugt werden. Eine Härtesteigerung der NI-W-Schicht kann durch Wärmebehandlung erreicht werden, wobei die Härte von Hartchromschichten nicht erreicht wurde. Der W-Gehalt im Elektrolyten spielt mit anderen Parametern für den W-Gehalt der Schicht eine wichtige Rolle.

Session Werkstoffverbunde

Im Vortrag von Ramon Helwing von der TU Dortmund ging es um die Identifikation lokaler Ermüdungsschädigung in bastfaserverstärkten Kunststoffen. Gegenüber synthetischen Glas- und Kohlefasern weisen Bastfasern eine signifikante Streuung der Materialeigenschaften aufgrund unterschiedlicher Anbaubedingungen auf. Hierdurch kommt es zu einer lokalen Varianz des Fasermaterials. In Mehrstufenversuchen wurde eine Schädigung gezielt in das Material eingebracht. Mithilfe von Thermographie wurden Bereiche mit intensiver Schädigung detektiert und mit Bereichen geringer Werkstoffreaktion verglichen. Die Varianz der lokalen Schädigung konnte so herausgestellt werden. Die signifikanten Unterschiede in der Schädigung weisen auf die Relevanz lokaler Eigenschaften des Materials hinsichtlich Schädigungsentwicklung und Ermüdungsfestigkeit hin.

Session Formgedächtnislegierungen

Ulrike Lohr, Institut Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik der TU Chemnitz, hatte den Einfluss thermomechanischer Vorbehandlung auf die Ni-Freisetzung aus elektropoliertem NiTi zum Thema. NiTi-Legierungen werden häufig als Implantate eingesetzt. Diese Anwendung bedingt die Betrachtung der Freisetzung von NiIonen (Ni-Allergie). Das Ziel dieser Studie ist, den Einfluss thermomechanischer Vorbehandlung auf die kurz- und langfristige Ni-Freisetzung zu untersuchen. Eingesetzt wurden für die Untersuchung elektropolierte NiTi-Drähte. Im Ergebnis wurde ermittelt, dass die Ni-Freisetzung kurzfristig bei allen Drähten erhöht ist und langfristig für alle thermomechanischen Vorbehandlungen abfällt. Der Ni-Grenzwert der EU-Verordnung wird langfristig bei allen Probenzuständen eingehalten. Es soll noch untersucht werden, welche Faktoren die unterschiedliche Ni-Freisetzung verursachen.