Warum ist die Werkstoffforschung oft Motor für technischen Fortschritt?



 Anlage zur werkstoffmechanischen Prüfung
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Die Entwicklung und Herstellung neuer Produkte, im allgemeinen getragen von dem Wunsch nach mehr Lebensqualität, ist untrennbar verbunden mit der Verfügbarkeit geeigneter Werkstoffe. Immer leistungsfähigere Produkte stellen immer höhere Anforderungen an die zu verwendeten Werkstoffe. Dabei stößt man heute schneller an die Grenzen der Belastbarkeit eines Werkstoffs, den man nun noch genauer kennen muss. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, Werkstoffe immer exakter zu charakterisieren und möglichst ihre Eigenschaften auch weiter zu verbessern. Dem Werkstoff kommt damit eine Schlüsselrolle zu - er wird zum Motor für neue technische Entwicklungen.

In der Luft- und Raumfahrt werden an die verwendeten Werkstoffe zum Teil extrem hohe Anforderungen gestellt. Sie sollen möglichst leicht aber auch fest sein, sie müssen teilweise sehr hohe Temperaturen ertragen und schließlich müssen sie auch noch nach vielen Betriebsstunden völlig betriebssicher sein. Erst geeignete Werkstoffe ermöglichen, dass schiffsgroße Flugzeuge fliegen können, dass explosionsartige Feuer in Flugtriebwerken und Raketenmotoren beherrscht werden und ein Space-Shuttle überhaupt wieder auf die Erde zurückkehren kann ohne zu verglühen. Die Werkstoffforschung charakterisiert die Werkstoffe, ermittelt und optimiert ihre Eigenschaften. Nur mit geeigneten Werkstoffkennwerten ist eine effiziente Konstruktion von Bauteilen möglich.

Die Erde verfügt zum Glück über eine Vielzahl von Stoffen, die sich für Konstruktionen hervorragend eignen. Wir kennen die natürlichen Baustoffe wie Holz oder Ton. In der Luft- und Raumfahrt stehen die metallischen und keramischen Werkstoffe ("anorganische Stoffe") und die Kunststoffe ("organische Stoffe") im Vordergrund des Interesses. Die Gewinnung dieser Stoffe und ihre Verarbeitung zu einem Konstruktionswerkstoff erfordert einen erheblichen Aufwand. Da die meisten Metalle in der Natur chemisch gebunden vorliegen, müssen sie erst in einem so genannten Hüttenprozess isoliert werden. Ihre Verwendung in elementarer (reiner) Form ist eher die Ausnahme. Erst eine geschickte Kombination von Elementen zu Legierungen führt in der Regel zu einem metallischen Hochleistungswerkstoff. Aus Eisen wird zum Beispiel ein rostbeständiger Stahl durch genaue Einstellung des Kohlenstoff-Gehalts und eine definierte Zugabe von Chrom und Nickel - so entstand ein beliebter Werkstoff z.B. für Essbestecke.

In der Technik verwenden wir heute mehr als 2500 Stahlsorten mit zum Teil völlig unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften. Auch im Flugzeug werden einige hochbeanspruchte Bauteile aus Stahl gefertigt. Der größte Teil eines Flugzeuges besteht aber aus Leichtmetallen, und zwar aus Aluminium- und Titanlegierungen und zunehmend auch aus faserverstärkten Kunststoffen. Viele Bauteile in einem Flugzeug sind relevant für die Sicherheit der Passagiere, so dass an deren Werkstoffe besonders hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Das gilt für die Werkstoffherstellung, die Werkstoffverarbeitung zu einem Bauteil und schließlich auch für das Werkstoffverhalten im Betrieb (Ermüdung, Korrosion).

Aus dem breiten Angebot muss der Konstrukteur den geeigneten Werkstoff oder Werkstoffkombinationen auswählen. Die Wahl eines geeigneten Werkstoffs und seine richtige Dimensionierung kann aber nur gelingen, wenn dessen Eigenschaften genau bekannt sind. Dafür stellt die Werkstoffkunde verschiedene Werkstoffkennwerte und entsprechende Prüfverfahren zur Verfügung.

Ein Bauteil richtig zu dimensionieren heißt aber auch, es nicht zu überdimensionieren. Neben den zu minimierenden Kosten fordern das auch die zu schonenden Ressourcen unserer Erde.


Kontakt
Dr.-Ing. Jörg Hemptenmacher
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Metallische Strukturen und hybride Werkstoffsysteme
Tel: +49 2203 601-2555

E-Mail: Joerg.Hemptenmacher@dlr.de
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