Wenn Werkstoffe mitdenken

Carbon

„Smart Materials“ verbessern Produkte und Prozesse – etwa bei Autos, Medizintechnik und Windrädern

 

Florian Hückelheim Handelsblatt Düsseldorf Beim Wechsel aus dunklen Räumen in helles Licht wird die Brille zur Sonnenbrille – wenn die Gläser selbsttönend sind. Möglich machen das intelligente Werkstoffe, auch Smart Materials genannt. Winzige Teilchen, die bei der Produktion in das Brillenglas eingearbeitet werden, ändern bei starkem Lichteinfall in einer photochromen Reaktion ihre Farbe und damit ihre Lichtdurchlässigkeit. Die Folge: Das Glas wird dunkel.

 

„Allgemeiner gesagt sind intelligente Werkstoffe Materialien, deren Eigenschaften sich von außen beeinflussen lassen“, sagt Dr. Holger Böse. Der wissenschaftlich-technische Leiter des Center Smart Materials des Fraunhofer Instituts für Silicatforschung erforscht seit mehreren Jahren neuartige, intelligente Werkstoffe. Sein Fokus liegt vor allem auf der Entwicklung von piezoelektrischen Sensoren, dielektrischen Elastomeren, magnetorheologischen Flüssigkeiten (MRF) und Elastomeren (MRE). Anwendungsbereiche sind etwa die Autobranche, Medizintechnik und Windräder.

 

So laufen die Stoßdämpfer einiger Automodelle nicht mehr mit herkömmlichem Dämpferöl, sondern mit einem Öl, das magnetische Partikel enthält. Ein am Dämpfer angebrachter Elektromagnet kann die Zähflüssigkeit des Öls steuern. Kombiniert mit einer entsprechenden Steuerungselektronik erkennt das Auto, ob der Wagen bei schneller Fahrt eine straffere Federung braucht oder eher Unebenheiten auf der Straße ausgleichen muss. „Dämpfer, die heute verwendet werden, lassen sich in Sekundenbruchteilen ansteuern“, erklärt Holger Böse. „Bestimmte Zusatzstoffe sorgen dafür, dass die Eisenpartikel im Dämpfer gleichmäßig verteilt bleiben und sich nicht mit der Zeit am Boden des Dämpfergehäuses sammeln.“

 

Magnetorheologische Festkörper (Elastomere) kommen etwa bei Produktionsrobotern zum Einsatz. Sie machen es möglich, dass eine vibrations- oder stoßdämpfende Unterlage ihre Festigkeit sozusagen auf Knopfdruck verändert. Das geschieht über magnetische Eisenteilchen, die auch dem Dämpferöl beigemengt werden.

 

Sogenannte Memory-Metalle verbessern wiederum medizintechnische Produkte. Die Werkstoffe können in Abhängigkeit der Temperatur wiederholt verschiedene Formen annehmen. Mit Memory-Metallen werden etwa Stents gefertigt, die nach einem Herzinfarkt Arterien weiten und eine erneute Verengung der Gefäße verhindern sollen. Das Metallmaschengewebe kann der Arzt in komprimierter Form problemlos per Katheter platzieren, ohne dass er die Arterie mit einem Ballon aufwendig weiten muss. Die Körpertemperatur allein sorgt dafür, dass der Stent später seinen ursprünglichen Durchmesser wieder annimmt.

 

Intelligente Werkstoffe können nicht nur ihre Form verändern, sondern auch über Sensorkonstruktionen Veränderungen ihrer Form wahrnehmen. Dafür werden zum Beispiel in eine Silikonmatte hochflexible Elektroden eingelassen. Je nachdem, wie hoch der Druck auf die Sensorfläche an einer bestimmten Stelle ist, ändert sich der Abstand von positiv und negativ geladenen Elektroden und damit die Aufnahmefähigkeit der Elektrodenstruktur für elektrische Ladung. Physiker sprechen von einem kapazitiven Prinzip, so wie bei einem Kondensator.

 

Praktische Anwendung findet dies im Auto. „Bisher war es so, dass der sogenannte Seat-Belt-Reminder nur feststellen konnte, dass eine Person auf einem Sitz platzgenommen hat“, erklärt Holger Böse. „Über die Sensormatte kann nun sogar ermittelt werden, ob die Person auf dem Sitz leicht oder schwer ist und wie sie sitzt – also zurückgelehnt oder nach vorne gebeugt.“ Im Fall eines Unfalls variiert der Zündzeitpunkt des Airbags dementsprechend, um einen größtmöglichen Schutz zu ermöglichen.

 

Auch jenseits der Autobranche kommen die Sensormatten zum Einsatz: In der Medizintechnik helfen sie bei der Dekubitus-Vorsorge. Liegt ein Patient zu lange in einer bestimmten Position, drohen gefährliche Gewebeschädigungen. Die Sensormatte in der Bettunterlage schlägt rechtzeitig Alarm für die nötige Umlagerung und andere Präventionsmaßnahmen. Wenn es darum geht, teure Produkte zu schützen und Beschädigungen früh zu erkennen, sind Smart Materials abermals im Spiel. Feinste Fasern, die nur einen Zehntelmillimeter dick sind, werden in Bauteilen untergebracht – zum Beispiel in Windparks. Da die Offshore- Anlagen schwer zugänglich sind, bieten sich piezoelektrische Sensoren für die Kontrolle der Rotorblätter besonders an.

 

 

 

Leichtere Wartung von Offshore-Windparks

Am oder im Rotorblatt angebracht senden sie Ultraschallwellen aus, welche das umliegende Glasfibermaterial weiterleitet. Entsteht ein Riss in der Rotorfläche, wird die Ausbreitung der Schallwellen gestört. Der Sensor registriert dies und löst Alarm aus. Online gelangen die Signale in die Kontrollzentrale. Teure Inspektionsflüge werden reduziert und weitere Schäden verhindert. Dasselbe Prinzip gilt auch für die Überwachung von großen Glasflächen an Gebäuden oder Tragflächen von Flugzeugen, die dadurch selbstständig und ohne Sichtkontrolle Schäden melden können.

 

„Das, was wir heute am Markt sehen, ist nur die berühmte Spitze des Eisbergs’, sagt Böse und prophezeit noch viele weitere Einsatzmöglichkeiten intelligenter Werkstoffe.

 

Handelsblatt 02.09.2014              

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