Revolution beim Leichtbau: Material verfärbt sich, wenn es brüchig wird
Teile, die in der Leichtbauweise produziert werden, kommen häufig im Fahrzeug- und Flugzeugbau zum Einsatz. Werden sie brüchig, ist dies schwer zu erkennen. Dafür haben Forschende der ETH Zürich ein neues Material entwickelt. Es zeigt mögliche Schäden per Farbwechsel an.
Gerade bei Flugzeugen machen sich Leichtbauteile positiv bemerkbar. Ein neuartiges Laminat zeigt möglichen Verschleiß jetzt per Farbwechsel an.
Foto: Panthermedia.net/Patrick Daxenbichler
Die Leichtbauweise hat zahlreiche Vorteile. Wie ihr Name schon sagt, sind die einzelnen Komponenten und auch am Ende das fertige Teil vor allem eines: besonders leicht. Hinzu kommt bei der Konstruktionsphilosophie eine Steigerung der Ressourceneffizienz. Ziel ist es, einerseits Roh- und Werkstoffe und andererseits Kosten und Energie einzusparen – sowohl bei der Herstellung als auch bei Nutzung und Verwertung des Produkts. Diese Materialien werden schon heute in zahlreichen Branchen verwendet. Insbesondere im Fahrzeug-, Schiff- und Flugzeugbau sind sie sehr sinnvoll. Denn hier bedeutet geringeres Gewicht auch weniger Sprit- beziehungsweise Kerosinverbrauch. Damit trägt der Leichtbau auch zu mehr Umweltschutz bei.
Carbon ist einer der bekanntesten Werkstoffe in der Leichtbauweise. Dieser sogenannte Faserverbundwerkstoff wird bereits beim Bau von Autos eingesetzt. Darüber hinaus nutzt man beim Leichtbau unter anderem auch Aluminium, Magnesium und besonders hochfeste Stähle sowie Titan. Seit einiger Zeit greift die Industrie auch auf natürliche Komponenten wie Bambus und Holz zurück.
Neuer Leichtgewichtswerkstoff zeigt Materialversagen per Farbveränderung an
Wenn neue Materialien zum Einsatz kommen, muss natürlich auch gewährleistet sein, dass sich Schäden oder gar ein mögliches Versagen zum Beispiel durch Abnutzung frühzeitig erkennen lassen. Bei erprobten Materialien sind solche Informationen bereits bekannt. Bei neuen Werkstoffen ist es erforderlich, neue Techniken und Methoden dafür zu entwickeln. Auf diese Art und Weise ist auch das Ergebnis einer Forschungsgruppe der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) und der Universität Fribourg zustande gekommen: Ihr selbst entwickelter Leichtgewichtswerkstoff zeigt Veränderungen wie innere Verformungen und ein mögliches Materialversagen durch eine Farbveränderung an.
Leichtbau im Maschinenbau ganzheitlich denken
Leichtbauwerkstoff: Inspiration aus der Natur
Das neuartige Laminat ist aus einzelnen Schichten zusammengesetzt. Seine Eigenschaften: transparent, bruchfest und trotzdem extrem leicht. Damit das Laminat ein so geringes Gewicht aufweist, haben die Forschenden auf verschiedene Materialschichten gesetzt: Kunststoff (Polymer) und ein künstliches Perlmutt wechseln sich beim Aufbau ab. Bei dem Perlmutt haben sich die Forschenden von der Natur inspirieren lassen. Es ist ähnlich wie eine Muschelschale strukturiert und besteht aus zahlreichen Glasplättchen, die parallel angeordnet, verdichtet und gesintert sind. Am Ende verfestigt ein Polymer-Harz die Strukturen. Das Ergebnis: Das Material wird besonders hart und bruchfest.
Hinzu kommt noch eine weitere Schicht. Sie besteht aus einem besonderen Polymer. Denn die Forschenden haben ein synthetisiertes Indikatormolekül hinzugefügt. Sobald im Polymer Dehnungskräfte entstehen, wird dieses Molekül aktiviert. Auf diese Art und Weise verändert sich die Fluoreszenz und dieses Farbspiel gibt Aufschluss über die Beschaffenheit des Materials. Denn je stärker die Materialdehnung, desto stärker werden auch die Moleküle aktiviert und die Fluoreszenz wird so immer intensiver.
Farbveränderung bedeutet mögliche Schäden im neuartigen Laminat
„Wir haben fluoreszierende Moleküle verwendet, weil man die Zunahme der Fluoreszenz sehr gut messen kann und nicht auf die subjektive Wahrnehmung angewiesen ist“, erklärt Tommaso Magrini, Erstautor der entsprechenden Studie. Die Forschenden haben absichtlich darauf verzichtet, einen von außen direkt sichtbaren Farbumschlag aufzubauen. „Die Wahrnehmung von Farben ist subjektiv, und Rückschlüsse auf Veränderung im Material sind schwierig“, sagt Magrini.
Die Fluoreszenz erlaubt es den Forschenden, Bereiche innerhalb des Werkstoffes zu identifizieren, die über die Maßen beansprucht sind. Damit sind solche Veränderungen frühzeitig erkennbar, noch bevor das Material anfängt brüchig zu werden. Genau das war den Forschenden wichtig, denkt man an einen Einsatz solcher Materialien im Flugzeugbau oder auch als Teil tragender Strukturen in Gebäuden oder Fahrzeugen. Frühzeitiges Erkennen verhindert möglicherweise ein auftretendes Versagen, das katastrophale Folgen nach sich ziehen könnte.
Industrielle Produktion muss für den Leichtbauwerkstoff noch geklärt werden
Einen Machbarkeitsnachweis im Labormaßstab haben die Forschenden damit erbracht. Noch offen ist die Frage, ob und wie das Material auch im industriellen Maßstab produziert werden kann.
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