High-Tech-Materialien kommen

Materialien

Sogenannte Forgedächtnis-Technologien revolutionieren Medizin, Auto- und Flugzeugbau, Raumfahrt und selbst Möbel und Küchenherde. Die Werkstoffe können von selbst ihre Form verändern.

 

Susanne Donner Wirtschaftswoche Düsseldorf Der Brüsseler Designer Carl de Smet hat Möbel entwickelt, die sich selbst zusammenlegen und wieder aufstellen. Wie das funktioniert, war auf der Mailänder Möbelmesse 2013 zu sehen: ein Klumpen weißen Schaumstoffs, der sich in wenigen Minuten zum Sessel entfaltete. Ganz von selbst, ohne Zutun. Der Sessel und ein Stuhl mit den gleichen, fast magisch wirkenden Fähigkeiten sollen dieses Jahr auf den Markt kommen.

 

Ihre Wandlungsgabe verdanken die Möbel einer außergewöhnlichen Werkstoffgattung – Materialien mit Formgedächtnis. De Smet nutzt einen Kunststoff, ein spezielles Polyurethan des Herstellers Mitsubishi Heavy Industries. Sobald dieser wärmer als 70 Grad Celsius wird, schalten die Moleküle ihre Struktur um – der Sessel klappt sich auf.

 

Smarte Materialien mit Gedächtnis revolutionieren nicht nur Möbel, sondern auch andere Branchen. Denn sie erlauben flexible Entwürfe, die sich an wechselnde Bedingungen anpassen: Autos und Flugzeuge werden bei hohem Tempo aerodynamischer, Gebäude ändern ihre Fassade je nach Wind und Wetter.

 

Leicht und zugleich sehr robust

Zudem besitzen die Werkstoffe weitere praktische Eigenschaften: Sie sind leicht, leise, brauchen kaum Energie, und sind erstaunlich kräftig. „Bezogen auf das Volumen sind sie die stärksten Antriebe, die wir kennen, leistungsfähiger als Elektro- oder Hydraulikmotoren“, sagt Holger Kunze, Chef-Mechatroniker am Fraunhofer- Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in Dresden. Ein zwei Millimeter starker Formgedächtnis- Draht etwa könne mehr als 100 Kilogramm heben.

 

Die Medizin entdeckte bereits vor längerem das wandlungsfähige Material für sich: Metallgewebe aus Formgedächtnis- Legierung – sogenannte Stents – weiten verengte Blutgefäße auf, um Infarkte und Schlaganfälle zu verhindern. Neben Metalllegierungen entwickelten Forscher inzwischen auch Kunststoffe mit Erinnerungsvermögen.

 

Die cleveren Werkstoffe verdrängen zunehmend energiehungrige Elektromotoren in Autos, Kameras und Haushaltsgeräten – und erschließen immer neue Märkte. „Produkte, die ihre Gestalt ändern, sind ein ganz großer Zukunftstrend“, sagt André Bucht, der ebenfalls am Dresdner Fraunhofer-Institut arbeitet. Das gelte vor allem für die Flugzeug- und Autobauer. So sollen Flieger künftig nicht mehr starr durch die Luft gleiten, sondern sich wie Vögel der Strömung anpassen, den Kopf senken oder die Flügel anlegen. Mit Formgedächtnis-Materialien und einer flexiblen Haut aus Carbonfasern könnten die Konstrukteure dem geschmeidigen Vorbild aus der Natur nahekommen. Weil die Konstruktionen zudem relativ wenig wiegen und das Flugzeug besser in der Luft liegt, helfen sie auch noch, Kerosin zu sparen.

 

Der US-Flugzeugbauer Boeing und das italienische Luftfahrtforschungszentrum Cira, aber auch die Technische Universität im niederländischen Delft verfolgen dieses Konzept. Boeing sieht sich gar als Weltmarktführer der Technologie. So hat der Konzern Blechstreifen aus einer Nickel-Titan-Legierung mit Formgedächtnis in einem Triebwerk des Langstreckenfliegers 777 getestet. Sie sorgen dafür, dass der Turbinenauslass am Boden schmal geformt ist und die Maschine so leiser läuft. In 10 000 Meter Flughöhe, wo die Luft sehr kalt ist, entsinnen sich die Blechstreifen dann ihres zweiten Zustands und weiten den Auslass um etliche Zentimeter. Das Triebwerk wird etwas lauter, verbraucht dafür aber weniger Sprit.

 

Die großen deutschen Autobauer arbeiten nach Auskunft mehrerer Forscher ebenfalls an Karosserien, die sich mithilfe von Formgedächtnis- Werkstoffen verformen. Und auch die Techniker in der Formel 1 – etwa vom Red-Bull-Team – beschäftigen sich mit dem Material. Ein Fahrzeug in Modellgröße lässt erahnen, wovon die Designer träumen: So hat der Brite Sam Holgate einen futuristischen Alfa Romeo aus Kunststoff entworfen. Der Sportwagen verändert seine Form beim Fahren und minimiert so den Luftwiderstand.

 

Die meisten Unternehmen erproben fließende Formen aber zunächst an einzelnen Bauteilen: So bremsen Scheibenwischer durch ihren Luftwiderstand das Fahrzeug. Es wäre besser, sie würden sich bei Nichtgebrauch an die Karosserie anschmiegen, beschreibt Fraunhofer-Forscher Bucht eine Idee.

 

 

Die Autoindustrie hat reichlich Erfahrung mit Formgedächtnis-Materialien. Seit 2005 nutzt sie Drähte aus Nickel-Titan, um Rückspiegel zu verstellen und Lüftungsklappen, Tankdeckel und Handschuhfächer zu bewegen. Volkswagen, BMW und Mercedes verwenden Ventile mit Formgedächtnis bereits für die Massagefunktion in Sitzen, weil sie anders als elektrische Antriebe keinen Lärm machen. General Motors verbaut im Sportwagen-Klassiker Corvette eine Lüftungsöffnung in der Heckklappe, die von einem Draht aus Formgedächtnis-Metall bewegt wird.

 

Technik soll Gasherde verbessern

Die feinen Metalldrähte besitzen weitere nützliche Eigenschaften. So ändern sie mit der Temperatur auch ihren elektrischen Widerstand, was sich leicht messen lässt. So taugen sie auch als Thermometer. Gasherde sollen mit der Technik genauer werden und sich besser regeln lassen.

 

Der Siegeszug der Materialien mit Gedächtnis scheint keine Grenzen zu kennen. Selbst in den Weltraum dringen sie vor. So entfalten sie die Antennen und Sonnensegel von Satelliten. Und schützen demnächst Astronauten. Ein Team um Dava Newman, Professorin für Raumfahrt am Massachusetts Institute of Technology in den USA, hat einen Anzug entwickelt, in den Fäden aus Formgedächtnis- Metallen eingearbeitet sind. Per Stromstoß aktiviert, ziehen sie sich zusammen und üben Druck auf den Körper des Raumfahrers aus – was im Vakuum des Alls überlebenswichtig ist. Noch muss der Anzug den Praxistest auf einer Mission bestehen. Bewährt er sich, können sich die Astronauten wesentlich freier mit ihm bewegen als mit den heutigen sperrigen, ballonartigen Modellen, die mit Gasdruck arbeiten. Auch eine irdische Anwendung zeichnet sich ab: Eine Manschette aus dem Material könnte als Druckverband etwa am Arm Blutungen stoppen.

 

Es wäre ein weiterer Einsatz in der Medizin – neben Stents. Auch beim Bau von Handprothesen setzen Wissenschaftler wie Lars Oelschläger, Professor an der Jade-Hochschule in Wilhelmshaven, auf die cleveren Werkstoffe. Damit sollen Patienten etwa Tassen heben, ohne dass Elektromotoren unangenehm surren. Zudem lassen sich die Prothesen kleiner als solche mit Motoren bauen, damit sie auch Kindern passen. Gedächtnisfäden aus Metall übernehmen in der Kunsthand aber nicht nur die Rolle der Muskeln. Denn weil ihr elektrischer Widerstand nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der Form bestimmt wird, eignen sie sich auch für eine rudimentäre Art des Fühlens.

 

Handelsblatt 22.01.2015

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