Klimaschutz durch Werkstoffinnovationen im Automobilbau Hochleistungswerkstoffe zur Reduzierung der CO2-Emissionen Erste Ergebnisse im Werkstoffprogramm des BMBF

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Bonn, Berlin 2007

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BMBF: S. 3; Fa. BMW: S. 14; Fa. Bosch: S. 7, 10, 13; Fa. CEROBEAR: S. 15;

Fa. Ford: Titelbild, S. 8, 17 (unten), 18; Fa. Gehring: S. 11; Getty Images: S. 9 (unten);

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RWTH Aachen, Fa. DURUM: S. 12

Klimaschutz durch Werkstoffinnovationen im Automobilbau Hochleistungswerkstoffe zur Reduzierung der CO2-Emissionen Erste Ergebnisse im Werkstoffprogramm des BMBF

VORWORT

Wirksamer Klimaschutz ist ohne technologische Innovationen nicht möglich. Zukunftstechnologien für den Klimaschutz bieten national wie international ein großes Marktpotenzial. Sie sind mit entscheidend für die Nachhaltigkeit unserer Wettbewerbsfähigkeit. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat deshalb die Hightech-Strategie zum Klimaschutz auf den Weg gebracht. Sie vernetzt Forschung und Wirtschaft noch besser, beschleunigt Innovationen für den Klimaschutz und sichert die deutsche Position auf den Leitmärkten der Zukunft.

Neue Werkstofftechnologien sind der Schlüssel zur Umsetzung der klima- und wirtschaftspolitischen Ziele. Denn innovative Werkstoffe erlauben nicht nur höhere Wirkungsgrade in Kraftwerken, Motoren und Turbinen. Sie eröffnen auch neue technologische Horizonte, etwa bei der organischen Photovoltaik oder bei der Entwicklung neuer leistungsstarker Energie-speichertechnologien.

Die vorliegende Broschüre gibt am Beispiel des Au-tomobilbaus einen Einblick in das Potenzial der Werk-stofftechnologien für den Klimaschutz. Die ersten Ergebnisse von derzeit bereits laufenden Forschungs-projekten zu verbessertem Antrieb, zur Emmissionsre-duktion, einer optimierten Energiespeicherung und zu neuen Karosserien demonstrieren auf beeindruckende Weise die hohe Innovationskompetenz der deutschen Wirtschaft und Wissenschaft in diesem wichtigen Zu-kunftsfeld. Dieses Potenzial wollen wir weiter nutzen. Deshalb fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung 20 Materialentwicklungsvorhaben mit

einer Gesamtfördersumme von 44 Millionen Euro. An diesen Projekten beteiligt sind 38 Forschungseinrich-tungen, 16 kleine und mittlere Unternehmen und acht in Deutschland ansässige Automobilunternehmen.

Im Rahmen der Hightech-Strategie richtet das Bun-desministerium für Bildung und Forschung die Förde-rung der Werkstofftechnologien noch stärker auf den Klimaschutz aus. Das Ziel: unsere Spitzenstellung bei den Werkstofftechnologien für den weltweiten Klima-schutz ausbauen und für den Innovationsstandort Deutschland nutzen.

Dr. Annette Schavan, MdB Bundesministerin für Bildung und Forschung

INHALT

Inhalt

Neue Werkstoffe im Automobilbau – ein Beitrag zum Klimaschutz 6

WING – das Werkstoffprogramm des BMBF 8

Höchstleistungswerkstoffe: Bewährung im Grenzbereich 10

Projektbeispiel 1: Nanokristalline Composite-Beschichtungen für Zylinder-laufbahnen (NaCoLab) 11

Projektbeispiel 2: Nanostrukturierte Abgas-sensoren (NanoHoch) 13

Materialeffizienz: Ressourcen und Umwelt schonen 14

Projektbeispiel 3: Optimales tribologisches System mit Kohlenstoffschichten (OTRISKO) 15

Leichtbau: Weniger ist manchmal mehr 16

Projektbeispiel 4: PM-Aluminium Hochleistungs-werkstoffe 17

Adressen und Partner 19

6 EINLEITuNG

Neue Werkstoffe im Automobilbau – ein Beitrag zum Klimaschutz

Wer den Klimawandel abbremsen will, muss schnell

handeln. Höchste Priorität hat dabei die Reduzierung

des CO2-Ausstoßes, denn Kohlendioxid ist das klima-

relevante Gas Nummer eins. Die Entwicklung neuer

Materialien für den Fahrzeugbau kann hier eine ent-

scheidende Rolle spielen.

Am 2. Februar 2007 hat das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) mit dem ersten Teil seines Klimareports weltweit Aufmerksamkeit erregt. Mit der umfassenden Studie war nochmals amtlich geworden, worauf viele Wissenschaftler und Umweltaktivisten schon lange mit Nachdruck hinweisen: Die Erwär-mung des Klimasystems ist eine Tatsache, die durch eine Vielzahl von Fakten belegt ist. So ist die globale Oberflächentemperatur während des 20. Jahrhunderts um 0,74 °C gestiegen, und elf der letzten zwölf Jahre waren die wärmsten seit Beginn der systematischen Klimaaufzeichnungen am Ende des 19. Jahrhunderts.

Will man dem Treibhauseffekt entgegenwirken, stellt die Reduzierung der CO2-Emissionen einen zentralen Ansatzpunkt dar.

Energie- und Kraftstoffeinsparung

Genau darauf zielen auch die Bemühungen vieler Länder, die das Kyoto-Protokoll ratifiziert haben. So will zum Beispiel die Bundesrepublik Deutschland die Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2020 um 40 Prozent gegenüber 1990 senken. Das ist ein ehrgei-ziges Ziel und kann nur erreicht werden, wenn an den richtigen Stellen der Hebel angesetzt wird.

Ungefähr 20 Prozent des deutschen CO2-Ausstoßes werden im Bereich Verkehr produziert. Davon entfal-len 84 Prozent auf die Straße, zwölf Prozent auf den Luftverkehr und lediglich vier Prozent auf die Schiene. Wer etwa mit einem Kleinwagen bei einem Verbrauch von sieben Litern im Jahr 12.000 Kilometer fährt, kommt allein durch die Autonutzung auf einen CO2-Ausstoß von zwei Tonnen – das entspricht immerhin dem CO2-Gesamtjahresverbrauch eines klimabewusst lebenden Menschen.

Natur und Technik im Einklang: Für effektiven Klimaschutz muss der CO2-Verbrauch von Autos gesenkt werden. Neue Werkstoffe helfen dabei.

EINLEITuNG

Aktuell entlässt ein durchschnittlicher Personenkraft-wagen ungefähr 170 Gramm CO2 je Kilometer in die Luft. Dieser Wert muss deutlich gesenkt werden, um einen effektiven Klimaschutz betreiben zu können. Die Entwicklung neuer Werkstoffe trägt erheblich dazu bei. Gerade der Werkstoffbereich birgt nämlich enorme Potenziale, die in der Öffentlichkeit derzeit nur wenig wahrgenommen werden. So können Hoch-leistungswerkstoffe, wie zum Beispiel Spezialbeschich-tungen aus Kohlenstoff, die Reibung in einem Pkw-Motor erheblich reduzieren und somit dessen Effizienz und Lebensdauer deutlich erhöhen. Zudem können neue Werkstoffe beispielweise. bei der Abgasnachbe-handlung die CO2-Emmissionen drastisch senken.

Eine weitere wichtige Werkstoffsparte für den aktiven Klimaschutz ist der Leichtbau. Er soll es künftig erlauben, das Gewicht von Fahrzeugen deutlich zu reduzieren, ohne bei der Sicherheit oder Leistungsfä-higkeit Abstriche machen zu müssen. Durch die inno-vative Konstruktion von Leichtbauwerkstoffen weisen diese trotz ihres geringen Gewichts eine große Stabi-lität auf. Hier hat es in den letzten Jahren zum Beispiel einen enormen Wissensfortschritt bei der Herstellung spezieller Aluminiumbauteile gegeben.

Aber nicht nur die Neuentwicklung von Materialien kann Erfolg versprechend sein, sondern auch der effizi-ente Umgang mit bereits eingesetzten Materialien

kann zu merklichen Einsparungen führen – und das bereits in der Produktion.

Bei allen bisherigen rasanten Fortschritten in Forschung und Entwicklung, liegt doch zukünftig noch ein großes CO2-Einsparpotenzial durch die Erfor-schung von neuen Materialien im Automobilbau. Dazu wird zurzeit im Rahmen des Forschungsförderungs-programms „Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft – WING“ speziell auf dem Gebiet „Energie- und Kraftstoffeinsparung in der Automobilbranche“ intensive Forschungsarbeit geleistet. Beteiligt sind dabei 20 industriegeführte Forschungsvorhaben mit insgesamt 117 Forschungspartnern aus Industrie, Hoch-schulen und Forschungseinrichtungen. Die Gesamt-zuwendungssumme für die Vorhaben zur Kraftstoff-einsparung und Reduzierung des CO2-Ausstoßes von Kraftfahrzeugen beträgt rund 15 Millionen Euro pro Jahr.

>>DieKlimapolitikderBundesregierung www.bmu.de/klimaschutz

>>WebsitedesIntergovernmentalPanelon ClimateChange(IPCC) www.ipcc.ch

7

Dieseleinspritzsystem: neue Werkstoffe zur Realisierung höchster Einspritzdrücke, Schlüsseltechnologie zur signifikanten Reduktion der

Emissionen. (Quelle: Fa. Bosch)

88 DAs PROGRAMM

WING – Das Werkstoffprogramm des BMBF

Die Werkstofftechnik stellt eine der Schlüsseltechno-

logien des 21. Jahrhunderts dar. Mit dem Förderpro-

gramm „Werkstoffinnovationen für Industrie und

Gesellschaft – WING“ trägt das Bundesministerium für

Bildung und Forschung dieser Tatsache Rechnung.

Leben und Alltag werden heute mehr denn je von tech-nischen Fortschritten und Entwicklungen geprägt. Die Grundlage all dieser technischen Neuerungen bilden innovative Werkstoffe. Waren es früher ganz bestimm-te Werkstoffe, die historische Epochen prägten – man denke nur an die „Bronzezeit“ oder die „Eisenzeit“ –, dominiert heute eine große Vielzahl gezielt eingesetz-ter, intelligenter und hochspezialisierter Werkstoffe die technische Entwicklung.

Insbesondere die Automobilindustrie, der Maschinen-bau, die Informations- und Kommunikationstechnolo-gien, die Elektrotechnik und die Chemieindustrie erhal-ten immer wieder starke technologisch-wirtschaftliche Impulse durch die Entwicklung neuartiger Werkstoffe. So kann man die Werkstofftechnik als eine der Schlüs-seltechnologien des 21. Jahrhunderts betrachten.

Beschichten eines Sigma-Motorblocks mit einem speziellen thermischen Spritzverfahren, siehe Projektbeispiel 1. (Quelle: Fa. Ford)

9 DAs PROGRAMM

Drei Leitziele

Investitionen in die Materialforschung haben aller-dings häufig einen grundsätzlichen Nachteil: Vielfach partizipiert der eigentliche Werkstoffhersteller nur geringfügig an der späteren, oft hohen Wertschöp-fung im Bauteil beziehungsweise System, obwohl bei ihm der überwiegende FuE-Kostenanteil anfällt. Zudem benötigt der Markt meist nur geringe Werk-stoffmengen, insbesondere bei Funktionswerkstoffen oder Schichtmaterialien.

Dies sind gravierende Innovationshemmnisse. Sie müssen durch partnerschaftliche Kooperationen in den Förderprojekten oder durch eine spätere Erfolgs-beteiligung überwunden werden. Auf der anderen Sei-te können kleine und mittlere Unternehmen derartige Nischenmärkte, die für Großunternehmen nur wenig attraktiv sind, erfolgreich besetzen, vor allem im Entwicklungsverbund mit Forschungseinrichtungen. Die Interdisziplinarität bleibt allerdings auch hier eine wichtige Forderung, unverzichtbar ist der integrative Ansatz.

Ausgehend von den drei Leitzielen

• Stärkung der Innovationskraft der Unternehmen, • Berücksichtigung des gesellschaftlichen Bedarfs, • Nut zung von Forschung und Technologie für nach-

haltige Entwicklungen

setzt das Werkstoffprogramm WING die Fördermaß-nahmen des BMBF für das Innovationsfeld Werkstoff-technologien um.

Das Kernelement der Förderung im Rahmen von WING ist die Verbundforschung zwischen der Industrie und Forschungsinstitutionen. Diese Verbundvorhaben sollen ein anwendungsorientiertes Projektziel mit Aus-sicht auf eine spätere marktwirtschaftliche Umsetzung verfolgen.

Technische Impulse durch neue Werkstoffe: Arbeit im Labor.

Dieselpartikelfilter aus Cordierit – Simulationsbild. (Quelle:

Fraunhofer-ITWM)

>>WeiterführendeInformationenaufderWebsite desBMBF

www.bmbf.de/de/3780.php

>>WINGbeimProjektträgerForschungszentrum Jülich www.werkstoffinnovationen.de

10 HöCHsTLEIsTuNGsWERKsTOFFE

Höchstleistungswerkstoffe:Bewährung im Grenzbereich

Die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und die

Verbesserung der Abgasqualität sind die zentralen

Themen, wenn es darum geht, die CO2-Emissionen im

Verkehr zu reduzieren. Die Entwicklung leistungsfähi-

ger Werkstoffe stellt hierbei einen wichtigen Ansatz-

punkt dar.

In der Automobiltechnik geht der Trend hin zu immer höheren Leistungsdichten und Abgastemperaturen beim Motorenbau. Die Bauteile, wie sie hier verwen-det werden, sind im täglichen Betrieb daher enormen – und sogar ständig wachsenden – Belastungen ausge-setzt. In der Tat zählen die Materialien, aus denen An-triebsaggregate und Komponenten des Abgasstrangs hergestellt werden, zu den am höchsten belasteten Werkstoffen überhaupt.

Um den wachsenden Anforderungen gerecht zu werden, ist es dringend notwendig, neue Höchst-leistungswerkstoffe zu entwickeln. Diese Werkstoffe sollen zu Verbesserungen auf mehreren Ebenen

gleichzeitig führen. Zunächst einmal muss bei höherer Leistungsdichte sichergestellt sein, dass die verwen-deten Werkstoffe den steigenden thermischen und mechanischen Belastungen gewachsen sind, um auch langfristig eine zuverlässige Funktion des Motors gewährleisten zu können. Darüber hinaus ist es drin-gend geboten, deutlich verbrauchsärmere Motoren zu entwickeln, die entsprechend weniger Abgase produzieren.

Einsatzgebiete für neue Werkstoffe

Verbesserungen im Motorenbau lassen sich durch verschiedene Techniken erreichen. Zum einen kann, nach dem Motto „weniger ist mehr“, eine Effizienzstei-gerung eines Motors, dem sogenannten Downsizing, durchgeführt werden. Dabei wird der Hubraum bei konstanter oder gesteigerter Leistung des Motors veringert. Hier hilft der Einsatz von sogenannten Hochleistungswerkstoffen. Eine andere Technik zur Optimierung eines Motors ist die Neukombination von verschiedenen Werkstoffen, die eine effizientere Motorenleistung garantieren. Die dritte Technik schließlich beschäftigt sich mit der Verringerung von Reibungsverlusten. Hier können ganz beachtliche

Nanostrukturierter Abgassensor, entwickelt in NanoHoch, siehe Projektbeispiel 2. (Quelle: Fa. Bosch)

HöCHsTLEIsTuNGsWERKsTOFFE

Fortschritte erwartet werden, denn überall dort, wo sich Bauteile bewegen, treten auch Reibungsverluste auf. Je geringer diese Verluste sind, desto größer wird der Wirkungsgrad des jeweiligen Motors und desto weniger Treibstoff ist für den Betrieb nötig.

Eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes von Motoren lässt sich auch durch den Einsatz alternativer Kraft-stoffe (Biokraftstoffe, Biomass-to-Liquid-Kraftstoffe) erreichen. Hochleistungswerkstoffe verbessern oder ermöglichen den Einsatz der alternativen Kraftstoffe auch in „herkömmlichen“ Motoren.

Höchstleistungswerkstoffe versprechen allerdings nicht nur im Motorenbau Fortschritte. Einige WING-Forschungsvorhaben konzentrieren sich zum Beispiel auf den Bereich der Abgasnachbehandlung. So kann unter anderem eine verbesserte Sensorik zu kosten-günstigeren und gleichzeitig leistungsfähigeren Systemen führen. Filter aus neuen Werkstoffen sorgen nicht nur für eine erhebliche Reduzierung von Schad-stoffen, sondern tragen auch zur Einsparung von Kraftstoffen bei.

Projektbeispiel 1: Nanokristalline Composite-Beschichtungen für Zylinderlaufbahnen (NaCoLab)

Um das Gewicht von Fahrzeugmotoren zu reduzieren, versucht man zunehmend leichtere Materialien für den Motorenbau zu finden und einzusetzen. Daher werden zum Beispiel seit einigen Jahren Zylinderkurbelgehäuse verstärkt aus Aluminium hergestellt. Allerdings haben die verwendeten Aluminiumlegierungen den Nachteil, eine hohe Reibung aufzuweisen und überdurchschnittlich schnell zu verschleißen. Eine Erhöhung der Reibung in diesem System bedeu-tet immer eine ungewollte Verringerung des Wirkungsgrads eines Motors. Daher erhalten die Aluminiumkurbelgehäuse heutzutage meist eine Beschichtung aus Grauguss, die eingegossen oder eingepresst wird.

Dieses Verfahren verursacht allerdings hohe Kosten und erhöht wiederum das Gewicht der Bauteile. Zudem dehnen sich der Grauguss und die Aluminiumlegierungen unterschiedlich unter Wärmeeinwirkung aus, was zu Verformungen und somit erneut zu erhöhter Reibung und Emissionen führt. Das Projekt NaCoLab will die wirtschaft-lichen und technischen Nachteile der Alumini-umkurbelgehäuse durch spezielle thermische Spritzbeschichtungen mit einem nanokristallinen Werkstoff reduzieren. Die dabei entwickelten nanokristallinen Beschichtungen sind härter und korrosionsbeständiger sie verschleißen langsamer als die Graugussbeschichtungen und zeigen ein sehr günstiges Reibungsverhalten. Motoren mit dieser Nanobeschichtung werden sich somit durch reduzierten Brennstoff- und Ölverbrauch sowie durch erhöhte Lebensdauer auszeichnen.

Honen von thermisch gespritzten Schichten in der Zylinder-

laufbahn. (Quelle: Fa. Gehring)

11

12 HöCHsTLEIsTuNGsWERKsTOFFE

Nanotechnologie ist der schlüssel

Bei der Entwicklung neuer Höchstleistungswerkstoffe kommt der Nanotechnologie eine Schlüsselrolle zu. Die Nanowissenschaften haben in den letzten Jahren grundlegend neue Erkenntnisse für die Werkstofffor-schung erbracht und bieten in diesem Bereich auch weiterhin ein großes Potenzial für neue Entwicklungen und Verbesserungen. Insbesondere die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Biologie und Ingenieurwissenschaften hat sich hier als Quelle vielversprechender Ideen etabliert. In der Nanotechno-logie spielt sich alles auf kleinstem Raum ab (ein Nano-meter ist ein milliardster Meter, der 50-tausendste Teil eines menschlichen Haares). Auf dieser Miniaturebene gelten ganz eigene physikalische Gesetze, die mit der uns bekannten Schulphysik bisweilen nichts mehr zu tun haben. Bekannte Materialien weisen hier plötzlich ganz neue Eigenschaften auf. Diese Eigenschaften gilt es zu entdecken und für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Damit bietet die Nanotechnologie völlig neue Möglichkeiten, die weit über das Potenzial der Mikrotechnik, wie wir sie schon seit langer Zeit kennen, hinausgehen.

Kleine Dimensionen, große Effekte

Nanopartikel weisen ein enormes Anwendungsspekt-rum auf. Das liegt zum einen an deren ganz neuen Eigenschaften und zum anderen daran, dass sie ge-genüber „normalen“ Partikeln eine deutlich erhöhte Reaktivität besitzen. Sie lässt sich hervorragend bei der Entwicklung neuer Sensoren, beispielsweise zur Messung von Abgasen, nutzbar machen. Darüber hinaus kann die Wissenschaft mittlerweile Nanopar-tikel für unterschiedliche Zwecke und Anwendungen „maßschneidern“. Auf diese Weise lässt sich dann für viele Anwendungen der optimale Werkstoff bereitstel-len. Welche weiteren Anwendungsmöglichkeiten die Miniaturpartikel bieten, lässt sich heutzutage in seiner ganzen Breite noch nicht überschauen.

Die Entwicklung und Herstellung neuartiger Schichten und Oberflächen stellen einen weiteren wichtigen Zweig der Nanotechnologie dar. Hier öffnen sich eine ganze Reihe interessanter Forschungs- und Arbeitsgebiete. Für die CO2-Reduzierung im Auto-mobilbau sind insbesondere Einsatzgebiete in der Sensorik, bei Verschleißschutzschichten und vor allem bei der Verringerung von Reibungsverlusten von Interesse.

Schließlich können auch neuartige mesoporöse beziehungsweise schaumartige Materialien für

Mikrostruktur einer nanokristallinen PTWA-Schicht, Aufrauprofil,

Schwalbenschwanz. (Quelle: RWTH Aachen, Fa. DURUM)

interessante Innovationen sorgen. Sie verfügen über eine extrem große aktive Oberfläche und weisen deshalb besondere Eigenschaften auf. So sind sie beispielsweise in der Lage, die Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen und Batterien oder anderen Spei-chermaterialien deutlich zu steigern. Auch ist es denkbar, mit ihrer Hilfe die Effektivität von Abgasrei-nigungssystemen deutlich zu steigern und gleichzei-tig deren Größe und Gewicht zu reduzieren.

Neuentwicklungen am Computer

In der Vergangenheit war die Suche nach neuen und verbesserten Materialien meist durch die Anwendung empirischer Methoden wie der Trial-and-Error-Metho-de gekennzeichnet. Diese Herangehensweisen haben bekanntlich zu einigen herausragenden Erfolgen geführt. Nichtsdestotrotz war der Weg zu neuen Mate-rialien bisweilen sehr mühsam und äußerst kostspielig, erforderte viele Umwege und endete nicht selten in einer Sackgasse.

Mittlerweile haben die Materialwissenschaften jedoch ein deutlich tief greifenderes Wissen über die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Werkstoffen erarbeitet. Zudem verfügt man heutzutage über sehr leistungsstarke Rechner und Rechnernetze, mit denen auch sehr aufwendige Simulationen möglich sind. Auf diese Weise lassen sich rechnergestützt viele Material eigenschaften nunmehr bereits vorhersagen, bevor

13 HöCHsTLEIsTuNGsWERKsTOFFE

der jeweilige Werkstoff erstmals in die Produktion geht. Computersimulationen sind also ein wichtiges Werk-zeug zum maßgeschneiderten Design neuer Materi-alien. Ihr praktischer Nutzen besteht in der einfachen, abhängig vom Rechenaufwand oft nahezu beliebigen Wiederholbarkeit. Außerdem ermöglichen sie die Ana-lyse von Bereichen, die für herkömmliche Experimente zu klein oder zu groß, zu schnell oder zu langsam, zu gefährlich oder zu teuer sind oder die zeitlich oder räumlich durch aktuelle Messtechniken nicht zugäng-lich sind.

Da aber die Eigenschaften von Festkörpern und Ma-terialien, insbesondere in technischen Anwendungen, in hohem Maße komplex und nicht einheitlich sind, lassen sich nicht immer die geeigneten theoretischen Modelle finden. Man wird also auch künftig nicht auf den „klassischen“ Weg verzichten können.

Bessere Marktposition

Die Nachfrage nach umweltfreundlichen Produkten, die dennoch einen hohen Wirkungsgrad besitzen, steigt stetig an. Die höhere Energieeffizienz techni-scher Systeme, wie sie durch den Einsatz von Höchst-leistungswerkstoffen erreicht werden kann, trägt diesen Konsumentenwünschen Rechnung und ist somit auch mit einer höheren Produktattraktivität für den Kunden verbunden. Sie verstärkt gleichzeitig den Absatz von kraftstoffsparenden Technologien und verbessert die Marktposition deutscher Unternehmen im internationalen Wettbewerb.

Projektbeispiel 2: Nanostrukturierte Abgassensoren (NanoHoch)

Als Teil einer klimafreundlichen Technologiestrategie gewinnen neue, direkteinspritzende Diesel- und Ben-zinmotoren, die mit höchstem Wirkungsgrad arbeiten und darüber hinaus mit regenerativen Biokraftstoffen betrieben werden können, zunehmend an Bedeu-tung. Unabdingbare Voraussetzung ist allerdings, die Schadstoffemissionen (Ruß, NOx und HC) dieser hocheffizienten Motoren mithilfe neuer Abgasnach-behandlungssysteme (Katalysatoren) auf das niedrige Niveau herkömmlicher Benzinmotoren zu reduzieren. Zur Regelung dieser neuen Katalysatorsysteme, die zukünftige europäische und amerikanische Schad-stoffnormen (EU6, US Tier2) erfüllen können, werden Abgassensoren mit neuen chemischen Messfunkti-onen benötigt. Es gilt eine neue flexible Sensorplatt-formtechnologie zu entwickeln, um bei gleichzeitig wachsender Zahl von Messaufgaben die Systemkosten gering zu halten.

In mehrfacher Hinsicht haben sich hochtempera-turfähige Halbleiter-Nanostrukturen als eine solche Plattformtechnologie qualifiziert. Durch gezielte Beschichtung können Halbleiterelemente flexibel zur Messung unterschiedlichster Schadstoffe einge -setzt werden. Darüber hinaus bietet die Halbleiter-technologie die Möglichkeit, kostengünstig mehrere Messfunktionen in einem Bauteil zu integrieren, um komplexe chemische Gasanalysen zu bewältigen.

Lambdasonde. (Quelle: Firma Bosch)

14 MATERIALEFFIZIENZ

Materialeffizienz: Ressourcen und Umwelt schonen

In Deutschland werden jährlich Materialien im Wert

von ungefähr 500 Milliarden Euro verarbeitet. Die Stei-

gerung der Materialeffizienz um 20 Prozent – ein Wert,

der durchaus realistisch erscheint – bedeutet Einspa-

rungen von immerhin 100 Milliarden Euro im Jahr.

Auf einem Expertenforum im Februar 2007 wurde festgestellt, dass Material- und Energiekosten im verar-beitenden Gewerbe in Deutschland fast 50 Prozent der Gesamtkosten eines Produkts betragen. Zum Vergleich: Auf den Einsatz von Personal entfallen lediglich rund 20 Prozent der Kosten. Bedenkt man nun zusätzlich noch die mangelnde Verfügbarkeit von Rohstoffen, einen steigenden Energiebedarf sowie, Gesundheit- und Umweltschäden beispielsweise durch Abgase und Treib-hausgase, erscheint die Entwicklung und Herstellung energie- und materialeffizienter Produkte notwendiger denn je.

Durch eine Steigerung der Materialeffizienz lassen sich also Fortschritte in zwei wichtigen Bereichen gleichzeitig erzielen: Die Unternehmen profitieren, und auch die Umweltverträglichkeit der Produkte erhöht sich. Dies zeigt, welcher zentrale Stellenwert dem Thema Materialeffizienz ankommt, obwohl es nur selten auf der öffentlichen Agenda auftaucht.

Weniger Material für gleiche Qualität

Materialien effizient einzusetzen bedeutet einerseits, Produkte gleichbleibender Qualität mit einem re-duzierten Materialeinsatz zu produzieren. Dort, wo weniger Material in der Produktion benötigt wird, sinkt natürlich auch die Abhängigkeit der Betriebe von Rohstoffen. Angesichts teilweise drastisch steigender Rohstoffpreise kann die Existenz insbesondere von mittleren und kleineren Unternehmen durchaus davon abhängen, möglichst wenige der kostspieligen Rohstof-fe einsetzen zu müssen.

Auf der anderen Seite benötigt der verringerte Ein-satz von Material in der Produktion nicht nur weniger

Acht-Zylinder-Kurbelgehäuse: neues Gießverfahren zur Er-

zeugung elektromagnetisch induzierter Gradierung primärer

Si-Ausscheidungen in Al-Zylinderkurbelgehäusen während der

Erstarrung. (Quelle: Fa. BMW)

Rohstoffe, sondern gleichzeitig auch weniger Energie. Dort, wo weniger Energie eingesetzt werden muss und wo weniger Material verwendet wird, entstehen natürlich auch weniger Abfallprodukte. Materialeffi-zienz sorgt somit folglich auch für eine Verbesserung der unternehmenseigenen Ökobilanz.

Optimierte Produktion

Auch die Optimierung der Produktionsprozesse wird im Allgemeinen dem Bereich der Materialeffizienz zugeordnet. Durch sie lässt sich beispielsweise eine deutliche Reduzierung von Verschnitt erreichen. Opti-mierte Produktionsprozesse führen außerdem häufig zu einer besseren Auslastung von Geräten, Anlagen und Spezialmaschinen.

15 MATERIALEFFIZIENZ

Darüber hinaus besitzen auch neue oder deutlich verbesserte Materialien ein großes Potenzial in Sachen Materialeffizienz. Sie können unter anderem zu einer Verlängerung der Lebensdauer, der Verringerung von Reibung und Verschleiß, einem höheren Anteil im Nut-zungskreislauf, einer Erhöhung der Temperaturstabi-lität sowie einer Reduktion des spezifischen Material-verbrauchs in technischen Systemen führen und damit eine effizientere Nutzung von Ressourcen bewirken.

Schließlich macht sich ein effizienter Umgang mit Materialien und Werkstoffen auch beim Betrieb der Produkte selbst bemerkbar. Im Motorenbau etwa führt eine materialeffiziente Produktionsweise zu Einsparungen beim Gewicht und somit auch wieder zur Drosselung des Treibstoffverbrauchs. Durch die Entwicklung neuer Herstellungsverfahren oder Legie-rungsoptimierung in der Automobilindustrie kann beispielsweise bei Stahl, Aluminiumlegierungen und Kunststoffen eine deutliche Steigerung des Potenzials erreicht werden.

Nutzen für die gesamte Wirtschaft

Gesamtwirtschaftlich gesehen sind Kostensenkungen beim Materialeinsatz und in der Produktion von viel-fältiger Bedeutung: Gewinne, Steuern, Produktivität, Einkommen der Haushalte, Einkommen des Staates, Nachfrage und Beschäftigung werden gleichermaßen von ihnen beeinflusst. Es ist nur sehr schwer zu sagen, in welchem Maße die einzelnen Bereiche profitieren. Volkswirtschaftliche Modellberechnungen zeigen aber, dass durch die Steigerung der Materialeffizienz die Beschäftigung zunimmt und eine Verbesserung des Finanzierungssaldos des Staates erzielt wird.

>>WeitereInformationenfindenSieunter www.materialeffizienz.de

Projektbeispiel 3: Optimales tribologisches systemmit Kohlenstoffschichten (OTRIsKO)

Die Lehre von Reibung und Verschleiß zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Oberflächen nennt man Tribologie. Ein tribologisches System bezeichnet folglich die komplette Einheit, in der Reibung und Verschleiß entstehen, inklusive der verwendeten Schmiermittel.

Das Projekt OTRISKO hat es sich zur Aufgabe ge-setzt, derartige technologische Systeme zu optimie-ren. Dazu müssen der Kraft- und Schmierstoffver-brauch eines Pkws reduziert und die Lebensdauer erhöht werden – also insgesamt die Materialeffizienz gesteigert werden.

Dies wollen die am Projekt beteiligten Wissen-schaftler und Unternehmen auf zwei Wegen errei-chen: Zum einen sollen neue Oberflächenschichten aus Kohlenstoff entwickelt werden, die die reibungs-bedingten Energieverluste minimieren. Diese Ober-flächenschichten sollen genau an das verwendete Schmiermedium angepasst sein. Zum anderen ent-wickelt man auch neue Schmiermittel, die den che-mischen Eigenschaften und der Struktur der Koh-lenstoffschichten angepasst sind. Auf diese Weise kann die Lebensdauer vieler tribologischer Systeme im Fahrzeugbau sowie Wälzlager und Gleitpaa-rungen entscheidend verlängert werden.

Wälzlager mit keramischen Komponenten. (Quelle: Fa. CEROBEAR)

16 LEICHTBAu

Leichtbau: Weniger ist manchmal mehr

Überall dort, wo Massen beschleunigt werden, stehen

Werkstoffe für den Leichtbau im Mittelpunkt der

Forschung, da die benötigten Kräfte, der Energiever-

brauch und die Emissionen im Wesentlichen vom

Gewicht abhängen. Das wissen wir alle aus dem

Physikunterricht.

Gerade vor dem Hintergrund rasant gestiegener Rohstoff- und Energiepreise gewinnen daher Leichtbau-konzepte zunehmend an Bedeutung. Der Einsatz von Leichtbaumaterialien und die damit verbundenen Leichtbautechnologien bewirken eine Reduzierung des Energie- und Materialbedarfs und eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Systeme. Wenn es also darum geht, den Schadstoffausstoß im Automobilbereich zu begrenzen, stellt der Leichtbau einen sehr wichtigen Faktor dar. Da wundert es nicht, dass in einer Studie aus dem Jahr 2002 der Leichtbau als eine der bedeutendsten Wachstumsbranchen in Deutschland identifiziert wurde.

Konventioneller Leichtbau

Kurz vor seinem Tod im Jahr 1999 hat der Börsen-Guru André Kostolany in Werbespots, die im Kino und im Fernsehen ausgestrahlt wurden, einen denkwürdigen Satz geäußert: „Denken Sie mal über Aluminium nach!“ Wie so häufig bewies der Finanzexperte auch hier ein gutes Gespür für Zukunftstrends, denn seither ist die Bedeutung von Aluminium als Werkstoff für die Automobilkomponenten deutlich angewachsen. Eben-so wie das Aluminium erwiesen sich weitere Leichtbau-werkstoffe wie Magnesium- und Titanlegierungen, hochfeste und dennoch leichte Stähle, Kunststoffe, Faserverbundwerkstoffe und Keramik als wichtige Materialien für den modernen Automobilbau.

Die Anforderungen, die an Leichtbauwerkstoffe gestellt werden, sind enorm. So dürfen Bauteile, die aus ihnen gefertigt werden, trotz eines deutlich reduzierten Gewichts keine Einbußen bei der Funk-

tionalität und Stabilität aufweisen. Im Bereich der Motor- und Fahrwerkskomponenten findet man beispielsweise metallischen Leichtbau bei Getriebege-häusen aus Magnesium, Pleueln aus Titan, Ventilen und Turboladerrotoren aus Titanaluminid und bei Bremsscheiben aus partikelverstärktem Aluminium.

Funktionsintegrierter Leichtbau

Einen weiteren Schritt in der Leichtbauentwicklung stellt die Kombination von leichter Bauweise mit anspruchsvollen zusätzlichen Funktionen möglichst in einem Werkstoff dar. Hier erwartet man bereits in naher Zukunft erste innovative Durchbrüche.

Bei der Entwicklung von Werkstoffen für den funktionsintegrierten Leichtbau ist es wichtig, stets das ganze System im Blick zu haben. Das heißt, es geht nicht mehr nur darum, einen möglichst leichten Werkstoff zu erhalten, sondern um die Entwicklung von Werkstoffen, die die spätere Funktion der ent-sprechenden Bauteile optimal unterstützen. Denn der funktionsintegrierte Leichtbauwerkstoff soll einen echten Mehrwert im Hinblick auf kompaktere Bauweisen (Miniaturisierung), Multifunktionalität, Selbstdiagnose (Health Monitoring), Energie- und Materialeinsparungen während der Nutzungspha-se sowie Kosteneinsparungen bei der Herstellung (Verringerung der Bauteilkomplexität) gegenüber herkömmlichen Werkstoffen liefern.

Magnesium-Motorhaube. (Fa. VW)

17 LEICHTBAu

Pleuel-Schmiederohlinge aus einer leichten,

intermetallischen TiAl-Legierung. (Quelle: Fa. Leistritz)

Nicht nur die Verwendung leichter Werkstoffe sorgt bei diesem Einsatz für eine Reduzierung des Gewichts. Durch die Integration der zusätzlichen Funktionali-täten, beispielsweise in struktur-tragenden Bauteilen, können mehr Funktionen mit weniger Bauteilen realisiert werden. Dies geht natürlich mit einer zusätz-lichen Gewichtsreduzierung einher.

So bieten beispielsweise Pkw-Heckklappen mit integrierter Antennenfunktion für Satellitennavigati-on, Mobilfunk und Radio ein Gewichtseinsparpotenzi-al von 20 Prozent im Vergleich zur konventionellen Technologie. Die Forschungsaktivitäten von Wirt-schaft und Wissenschaft konzentrieren sich darüber hinaus insbesondere auf integrierte Sensoren, die Erhöhung der Sicherheit, die Senkung des Kraftstoff-verbrauchs, hochbelastete Bauteile, Deformationsele-mente, Katalysatoren und Katalysatorsubstrate.

Projektbeispiel 4: PM-Aluminium Hochleistungswerkstoffe

In diesem Projekt werden neue Aluminium-Hochleis-tungswerkstoffe entwickelt. Diese Nanowerkstoffe mit völlig neuen Eigenschaften führen zu einer Gewichtsreduzierung von Motor- und Fahrwerks-komponenten im Fahrzeug – ein wichtiger Beitrag zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Die neuen Werkstoffe sollen vor allem den Stahl ersetzen.

Die neuen nanokristallinen Aluminiumlegie-rungen werden im sogenannten „Melt Spinning“-Verfahren hergestellt. Hier werden nanokristalline Aluminiumlegierungen durch eine extrem rasche Erstarrung des Gefüges produziert. Insbesondere wurde dabei an der Optimierung des Warmpres-sens gearbeitet, ein neues Verfahren, bei dem der Werkstoff in seine Form gebracht wird, ohne dabei einen Wärmeaustausch mit seiner Umgebung vorzunehmen.

Das Ergebnis der Entwicklungsarbeit soll schließ-lich ein ganz neuer Leichtbauwerkstoff beziehungs-weise eine Leichtbaukomponente und ein ebenso neues auf diesen Werkstoff zugeschnittenes Formge-bungsverfahren sein. Die neu entwickelten nanokris-tallinen Aluminiumlegierungen sind verschleißfest, hochwarmfest und besitzen eine hohe Festigkeit. Das Besondere an diesem Projekt ist, neben der Entwicklung eines neuen leichten Werkstoffs für den Fahrzeugbau, die Bereitstellung eines möglichst kostengünstigen Werkstoffs für den Leichtbau.

Motorausschnitt mit Nockenwelle und Tassenstößel.

(Quelle: Fa. Ford)

18 LEICHTBAu

Hybridtechnologien

Gerade im Automobilbereich verspricht man sich durch sogenannte Hybrid- beziehungsweise Modul-werkstoffe neue Impulse. Hierbei sind die Module – dabei kann es sich beispielsweise um großflächige Bauteile aus Metall und Kunststoff handeln – aus verschiedenen Werkstoffen aufgebaut und enthalten darüber hinaus auch noch zusätzliche Funktionen.

Derzeit beschäftigt sich die Forschung in diesem Bereich unter anderem mit neuartigen Legierungen, die die Vorteile keramischer und metallischer Werk-stoffe vereinigen. Sie sind bei hohen Temperaturen einsetzbar, leicht und dennoch extrem fest. Der Clou ist jedoch, dass sie trotzdem verformbar und zäh sein werden und so neue Perspektiven bei der Verarbeitung eröffnen.

Man arbeitet auch an der Verbesserung von Kunststoffen. Insbesondere die im Vergleich zu den heute üblichen Glasfasern wesentlich leichteren Naturfasern, die als Verstärkungsfasern in den Kunststoff eingebracht werden können, stellen hier einen interessanten Ansatzpunkt dar. Naturfaserver-stärkte Folien erlauben zum Beispiel die Herstellung glatter und hochwertiger Oberflächen, wie sie im Automobilbau gefordert werden.

Herstellungs- und Produktionskonzepte

Die Entwicklung neuer Leichtbaumaterialien, und hier insbesondere die Herstellung und Verarbeitung von Hybridwerkstoffen, erfordert auch neuere Herstel-lungs- und Produktionskonzepte. Erst damit lässt sich das gesamte Leichtbaupotenzial ausschöpfen. Die Beiträge der Materialforschung beschränken sich hier also nicht nur auf die reine Entwicklung neuer Werk-stoffe, sondern umfassen stets auch die Entwicklung angepasster Herstellungskonzepte und neuer Ferti-gungstechniken.

Um die Qualität der Verbindung zweier Werkstoffe zu verbessern beziehungsweise um ihre Fügbarkeit überhaupt erst zu ermöglichen, sind zum Beispiel ganz neue Hybridfügetechniken nötig, die die Vorteile der einzelnen Verfahren miteinander verbinden. Dabei kann es sich etwa um eine Kombination aus Kleben und Nieten handeln. Auch im Bereich der Gusstechnik und Formgebung sind neue Verfahren erforderlich.

Die Entwicklung neuer Leichtbaumaterialien eröffnet ein weites Forschungsfeld. Hier sind durch den massiven Zwang zur Ressourceneinsparung und Gewichtsreduzierung künftig noch einige technolo-gische Verbesserungen und Innovationen zu erwarten.

Nockenwellen aus Leichtbaumaterialien. (Quelle: Fa. Ford)

>>WeitereInformationenfindenSieunter www.lightstructures.de www.leichtbau-cluster.de

19 ADREssEN uND PARTNER

Adressen und Partner

Projektträger Jülich

Forschungszentrum Jülich GmbH Projektträger Jülich (PtJ) Geschäftsbereich Neue Materialien und Chemie 52425 Jülich

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Madeleine Dietrich Tel.: 02461-612622 Fax: 02461-612398 E-Mail: m.dietrich@fz-juelich.de

Informationen im Internet

Auf den Internetseiten des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und des Projektträgers Jülich finden Sie weiterführende Informationen über • das Forschungsförderungsprogramm „Werkstoffin-

formation für Industrie und Gesellschaft – WING“ • aktuelle WING-Bekanntmachungen und Förder-

richtlinien • Termine und Fristen

InternetseitendesBMBF >>www.bmbf.de/de/3738.php

InternetseitendesProjektträgersJülich >>www.werkstoffinnovationen.de

Die Verbundpartner der vorgestellten Beispielprojekte

Die Verbundforschung ist bei WING ein zentrales För-derinstrument. In den hier beispielhaft beschriebenen Fördervorhaben arbeiten mehrere Unternehmen und Institute im Forschungsverbund zusammen.

NanokristallineComposite-Beschichtungen fürZylinderlaufbahnen(NaCoLab)

Gehring GmbH & Co. KG, Ostfildern; DURUM Ver-schleiß-Schutz GmbH, Willich-Schiefbahn; GTV mbH, Luckenbach; Opel Powertrain GmbH, Rüsselsheim; Porsche Engineering Group GmbH, Weissach; Daim-lerChrysler AG, Ulm; Ford Werke GmbH, Köln; Ford FZ Aachen GmbH; Federal-Mogul Burscheid GmbH; RWTH Aachen (IOT); Uni Duisburg (WTII); Uni Kassel (IMK); Uni Braunschweig (IWF)

NanostrukturierteHochtemperatur-Halbleiter fürAbgassensoren(NanoHoch)

Robert Bosch GmbH, Gerlingen-Schillerhöhe (Un-terauftragnehmer: Universität Karlsruhe – IWE, FZ Rossendorf bei Dresden, TU Dresden – IfW); MAN Nutzfahrzeuge AG, Nürnberg; MicroGaN GmbH, Ulm; Fraunhofer IKTS Dresden und IAF Freiburg

OptimalestribologischesSystem mitKohlenstoffschichten(OTRISKO)

Robert Bosch GmbH, Stuttgart; Fraunhofer IWS, Dres-den; Fraunhofer IWM, Freiburg; LEYBOLD Vacuum GmbH, Köln; ASMEC GmbH, Radeberg; Inprotec AG, Heitersheim; BMW AG, München; Cerobear GmbH, Herzogenrath; FUCHS Europe Schmierstoffe GmbH, Mannheim; Keiper GmbH & Co. KG, Remscheid

PM-AluminiumHochleistungswerkstoffe

Powder Light Metals GmbH, Gladbeck; Ford-For-schungszentrum Aachen GmbH; BBS Kraftfahrzeug-technik AG, Schiltach

Diese Publikation wird im Rahmen der Öffentlichkeitsarbeit vom Bundesministe-

rium für Bildung und Forschung zur Verfügung gestellt. Sie ist nicht zum gewerb-

lichen Vertrieb bestimmt. Sie darf weder von Parteien noch von Wahlwerberinnen/

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Weitergabe an Dritte zum Zwecke der Wahlwerbung. Unabhängig davon, wann,

auf welchem Weg und in welcher Anzahl diese Schrift der Empfängerin/dem Emp-

fänger zugegangen ist, darf sie auch ohne zeitlichen Bezug zu einer bevorstehen-

den Wahl nicht in einer Weise verwendet werden, die als Parteinahme der Bundes-

regierung zugunsten einzelner politischer Gruppen verstanden werden könnte.