Magnesium im Marianengraben - Produktionstechnisches Zentrum ...

Magnesium
im Marianengraben
Es taucht fast überall auf, leider kaum im Leichtbau.
Es hat ein Riesenpotenzial, lässt sich aber nur schwer verarbeiten.
Genau der richtige Stoff für eine hartnäckige Ingenieurin.
nsa Pfeiffer hat sehr leichte, matt glänzende und dau-
I mendicke Scheiben vor sich ausgebreitet, einige glatt,
einige mit Runzeln: die stoffliche Quintessenz ihrer For-
schung aus gut zwei Jahren. Um an ihre Ergebnisse zu
kommen, hat die wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut
für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM)
die größte Presse des Instituts so ausgelegt und umgebaut,
dass sie mit einer Kraft, die etwa 1000 gestapelten VW Golf
entspricht, die daumendicken Magnesiumscheiben formt,
während diese zusätzlich rundum einem Druck ausgesetzt
sind, wie er im Marianengraben herrscht, etwa zehn Kilometer
unter der Meeresoberfläche; ein einziges bemanntes
U-Boot drang bisher in solche Druckverhältnisse vor.

IFUM – MagnesIUM IM MaRIanengRaBen

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Diese Arbeiten hat sie mit der Geburt ihrer Tochter Line
und den neuen Elternpflichten in Einklang gebracht. Wel-
che Aufgabe die schwierigere war – oder ist? Die Ingeni-
eurin, die Power für zwei ausstrahlt, zögert, aber nur kurz:
„Auch bei den 30 Stunden, die ich jetzt wieder hier bin,
denke ich oft: Jetzt gebe ich schon mein Kind so lange in
die Krippe und schaffe trotzdem nicht mehr“.
Viel zu selten trifft man Ingenieurinnen mit Kindern –
vielleicht ist das einer der Gründe, warum man überhaupt
sehr wenige Ingenieurinnen trifft: Weil viele das Gefühl
haben, eine Entweder/Oder-Entscheidung treffen zu müssen,
und dann nicht auf Kinder, sondern den zeitintensiven
Beruf in einer Männerwelt verzichten. „Am Ende liegt
die Rechnung ja doch auf deinem Tisch“, kommentiert Insa
Pfeiffer, deren Mann beruflich viel unterwegs ist, die noch
immer typische Verteilung der Pflichten, die zu den beruflichen
Aufgaben dazukommt. Dass sie dennoch „die Formgebungsgrenzen
von Magnesiumlegierungen mittels einer
Überlagerung von Druckspannungen während des Umformprozesses“
erweitern konnte, verdankt sie auch einer
guten Portion Glück und den kinderfreundlichen Arbeitsbedingungen
am IFUM.
Dazu später mehr. Zuerst die entscheidende Frage:
Warum braucht die Welt Magnesiumlegierungen, und
warum muss man die Grenzen ihres Formänderungsvermögens
erweitern?
Magnesium: Es steckt in Bananen,
Wunderkerzen und Tabletten gegen
Muskelkrämpfe – warum nicht in
Autos und Flugzeugen?
Magnesium ist das achthäufigste Element der Erde: Wer
Magnesium sucht, findet es in Bananen, Wunderkerzen, Tabletten
gegen Muskelkrämpfe oder im Meer – mehr als ein
Kilogramm in einem Kubikmeter Wasser. In Autos dagegen
oder in der Luft- und Raumfahrt ist Magnesium eher selten
zu finden. Diesen Magnesiummangel bedauert Insa Pfeiffer,
denn Magnesium ist nicht nur unbegrenzt verfügbar
und relativ fest, sondern auch um etwa ein Drittel leichter
als Aluminium. Ein gutes Argument für Leichtbaupioniere,
denn leichtere Fahr- oder Flugzeuge verbrauchen weniger
Energie und werden damit nicht nur günstiger im Betrieb,
sondern jagen natürlich auch weniger CO2 in die Luft.
PZH 2010
Pfeiffer geht es allerdings nicht um leichte Autos. Zumindest
nicht direkt. Sie möchte grundsätzlich einen vielfältigeren
Einsatz von Magnesium im Maschinenbau ermöglichen.
Dazu muss man wissen: Magnesium ist sehr reaktiv
und leicht entzündlich. Späne können sich entzünden –
deshalb mögen die Kollegen aus der spanenden Fertigung
Magnesium nicht besonders. Heißes Magnesium beim Gießen
ist mindestens so gefährlich, aber ums Gießen als Urformverfahren
kommt man nicht herum. Das IW forscht
sehr intensiv in diesem Bereich. Leider haben Bauteile, die
in Gießverfahren hergestellt werden, und das ist zurzeit der
größte Teil aller Magnesium-Bauteile, mechanische Nachteile
im Vergleich zu umgeformten Bauteilen.
Denn allein beim Umformen wird das Gefüge ideal beeinflusst:
Die Bereiche gleicher Kristallstruktur – „Körner“ genannt
– werden kleiner, länger und richten sich an der Kontur
aus. Das sorgt dafür, dass umgeformte Magnesiumbauteile
eine höhere Festigkeit haben und stärker belastbar sind.
Das Problem beim Umformen ist allerdings, dass Magnesium
eine sogenannte hexagonale Gitterstruktur hat, das
heißt: Es ist sehr spröde. Presst man es mit hohem Druck
zusammen, bricht es auseinander oder bekommt zumindest
Risse – Insa Pfeiffer zeigt eine Probe mit einem Rand, der
aussieht wie vernarbt. Eine andere Scheibe der gleichen
Magnesiumlegierung dagegen ist glatt und rund. Sie wurde
bei 225 Grad Celsius umgeformt: Bei dieser Temperatur verändert
sich die innere Struktur, die Materialschichten können
beim Umformen dann über eine diagonale Ebene in die
neue Form gleiten.
„Meine Idee war, die Magnesiumproben beim Umformen
zusätzlich von allen Seiten unter Druck zu setzen und zu
gucken, welchen Einfluss der Druck auf das Formänderungsvermögen
hat – im Idealfall sollte sich die erforderliche
Umformtemperatur deutlich absenken lassen.“ Das
wäre natürlich ein Gewinn, denn niedrigere Temperaturen
bedeuten niedrigere Prozesskosten. Am IFUM war bereits
mit Drucküberlagerung an Aluminium geforscht worden,
eine gute Voraussetzung für das Vorhaben. Als die Deutsche
Forschungsgemeinschaft DFG ihren Antrag bewilligte,
konnte es losgehen.
Für das Vorhaben stand ihr die größte hydraulische
Presse des IFUM zur Verfügung; ihre Presskraft entspricht
1250 Tonnen. Die Proben, 45 Millimeter hohe Zylinder einer
Magnesiumlegierung, sollten so darin platziert werden,
dass sie von Öl umgeben sind und über dieses Öl ein Druck
von bis zu 1000 bar ausgeübt wird, während von oben der
Stößel der Presse das Umformen erledigt. Dieser Umformvorgang
sollte bei verschiedenen Temperaturen von 70 bis

300 Grad Celsius durchgeführt, die gewünschte Temperatur
jeweils über die Temperatur des Öls eingestellt werden. Zwei
verschiedene Legierungen sollten auf diese Weise bei je
zwei verschiedenen Umformgeschwindigkeiten untersucht
werden; insgesamt etwa 300 Einzelexperimente.
Das Experiment: zehn Kilometer
unter der Meeresoberfläche, und von
oben pressen 1000 Golf
Die Kräfte sind respekteinflößend: Allein der hydrostatische
Druck simuliert Verhältnisse, wie man sie im Marianengraben
findet. Dazu kommt die Presse, die mit der Kraft
von 1000 gestapelten VW-Golf die Probe umformen soll.
Die Ölmenge muss dabei über ein Druckbegrenzungsventil
so reguliert werden, dass der hydrostatische Druck konstant
bleibt.
Bei der Planung des entsprechenden Werkzeugs, das
später in die Presse eingebaut werden sollte, stieß Pfeiffer
an Grenzen: „Es gibt Dichtungen für hohe Temperaturen
und Dichtungen für hohen Druck. Beides zusammen schaffen
die nicht“. Gleiches gilt für das Ventil, das den Druck
im Öl begrenzen soll, wenn die Presse auf die Probe drückt.
„Das Ventil, das Sie suchen, müssten Sie in Gold aufwiegen“,
hatte ein Hersteller ihr gesagt. Das Fazit? „Wegen der
Dichtungen sind wir mit der Temperatur auf maximal 200
Grad runtergegangen, das Ventilproblem haben wir über
einen Druckübersetzer selbst gelöst.“
Und dann war Line da. „Zeitlich hat das irgendwie ideal
gepasst: In den ersten Monaten nach der Geburt bin ich mit
Line immer mal kurz vorbeigekommen; Line saß bei Kollegen
auf dem Schoß, und ich konnte den Fortschritt des
Werkzeugs, der Hydraulikanlage und der Steuerung begutachten,
die Uwe Rothgänger, der technische Mitarbeiter
des Projekts, in dieser Phase ohnehin weitgehend ohne
mich zusammengebaut hätte. Ohne seine tolle Unterstützung
hätte das alles nicht so reibungslos geklappt.“ Nach
vier Monaten nahm ihr Mann zwei Monate Elternzeit und
Insa Pfeiffer war in dieser Zeit voll für ihr Experiment da
– „aber das war schon sehr hart, meine kleine Tochter plötzlich
den ganzen Tag nicht zu sehen“, gibt sie heute zu.
Als Line zehn Monate alt war, bekam sie einen Platz bei
den Wuselzwergen, einer neuen Betreuungseinrichtung
der Universität. „Das war ganz großes Glück“, sagt die forschende
Mutter. Das größte Glück allerdings, sagt sie, sei ihr
Chef, der sie in jeder Hinsicht unterstützt habe – „egal,
IFUM – MagnesIUM IM MaRIanengRaBen
Zweimal Insa Pfeiffer: Oben präsentiert sie eine
Probe, die es beim Umformen zerrissen hat, unten
verschwindet sie mit dem Techniker fast hinter der
größten hydraulischen Presse des IFUM, die dafür
verantwortlich ist.
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ob ich erst nur 20, jetzt wieder 30 Stunden arbeiten woll-
te und konnte. Und ich weiß, wenn ich für eine Weile nur
von zu Hause aus arbeiten könnte, dann ginge auch das.
Das motiviert schon sehr.“ Der Chef ist Institutsleiter Professor
Bernd-Arno Behrens, der ihr 2005 auch die Abteilungsleitung
Massivumformung übertragen hatte. Die hat
sie allerdings abgegeben – sie fand es den Kollegen gegenüber
unfair, als Teilzeit-Leiterin nur eingeschränkt anwesend
zu sein. „Da bleibt einfach zu viel auf der Strecke“,
findet sie. Auch so nagt ja die typische Powerfrauen-Unzufriedenheit
an ihr, nicht an jeder Front 100-prozentig dabei
sein zu können, selbst wenn sie abends, wenn Line schläft,
noch zuhause am Schreibtisch sitzt. „Magnesium schläft
nie“, sagt sie lachend dazu.
Tag X, der 6. Februar 2009: Die Presse ist eingerichtet.
Und hinter Abschirmungen regelrecht eingemauert – eine
Sicherheitsmaßnahme, die bei solchen Randbedingungen
immer eingehalten wird. Immerhin haben es die IFUM-Wissenschaftler
hier mit heißem Öl unter extremem Druck und
Premierenbedingungen zu tun. „Natürlich hat man Respekt“,
gibt Insa Pfeiffer zu, „wenn man das alles gerechnet hat
und dann vor der Presse die Stunde der Wahrheit naht. Da
steigt der Adrenalinspiegel schon an.“ Das Öl hat die richtige
Temperatur erreicht, der Stempel wird heruntergefahren
– und alles geht gut. Das Werkzeug hält, die Dichtungen
sind dicht, der Druckübersetzer funktioniert, alles läuft wie
geplant. Und die Proben, 45 Millimeter hohe Zylinder, werden
auf 13 Millimeter dicke Scheiben heruntergepresst – sofern
sie sich umformen lassen.
Ärgerlich findet die Projektchefin nur, dass man während
des Umformens nichts sieht und nichts hört – dass also gar
nicht feststellbar ist, wann genau die Probe erste Risse bekommt.
So besteht vor allem die Gefahr, dass nach dem Umformen
Teile aus der Presse geholt werden, die schön glatt
aussehen, aber innen doch schon Risse aufweisen. Nicht nur
für ihre Forschungsergebnisse ist das inakzeptabel. Würden
solche Teile mit unentdeckten Fehlern tatsächlich verbaut,
wären sie ein großes Sicherheitsrisiko. Deshalb installiert
sie mit ihrem Kollegen Islam Elgaly eine akustische Rissüberwachung,
mit deren Hilfe man tatsächlich hören – und
aufzeichnen – kann, wie die Magnesiumlegierung während
des Umformens ächzt und fließt – oder eben reißt.
Etwa 300 Mal ist die Presse im Sommer 2009 heraufund
wieder heruntergefahren und hat aus den Probenzylindern
mehr oder weniger flache, teils intakte, teils zerborstene
Scheiben gemacht. Erfolgreich? Ein klassiches „Jein“ ist
die Antwort, denn: „Bei 180 Grad geschieht etwas Erstaun-
PZH 2010
liches. Die Umformfähigkeit verbessert sich bei dieser Temperatur
bei steigendem Öldruck ganz langsam – bis etwa
630 bar. Das war zu erwarten. Wenn man dann aber den
Druck noch etwas erhöht, lässt sich die Probe ganz plötzlich
komplett umformen“. Um die 45 Grad, um die die erforderliche
Umformtemperatur sinkt, wirtschaftlich zu nutzen, ist
der Aufwand mit der Drucküberlagerung zwar noch sehr
groß, aber spannend sei die Frage, WARUM die Umformfähigkeit
bei diesem Druck schon 45 Grad eher beginnt, und
vor allem: warum so plötzlich. Was passiert da mit dem
Materialgefüge? Naheliegende Erklärungen reichen bisher
nicht aus, diese Frage zu beantworten.
Die Zukunft: materialwissenschaftliche
Rätsel lösen, promovieren und in
die Industrie gehen. Als erstes: einen
Kindergartenplatz bekommen.
Wie geht es weiter? Das Rätsel der sprunghaften Umformfähigkeit
will die 30-Jährige unbedingt noch lösen. Die Antwort
könnte sehr aufschlussreich sein und neue Ansätze für
die Magnesiumbearbeitung eröffnen. Natürlich würde sie
gern ihre wissenschaftliche Laufbahn mit einer Promotion
küren – aber das ist vor allem eine Frage zeitlicher Freiräume.
Und dann: „In die Industrie und eventuell im Ausland
arbeiten.“ Mit Kind? Kein Problem, findet sie – oder besser:
eine lösbare Herausforderung. Schwerer lastet da die aktuelle
Hürde auf ihr: Sie muss für Line eine Ganztagsbetreuung
im Kindergarten finden. 24 Kindergärten kommen in
Frage, persönliche Anmeldung und Eintrag auf die Warteliste
jeweils einmal pro Woche irgendwann am Vormittag.
Es braucht manchmal keine ignorante Arbeitswelt, um Eltern
an der Vereinbarkeit von Beruf und Familie zweifeln
zu lassen.

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Professor Bernd-Arno Behrens, Institutsleiter
geschichte
Das IFUM ist eines der ältesten umformtechnischen
Institute: Gemeinsam
mit dem IFW kann es seine Geschichte
zurückverfolgen bis zu Karl Karmarsch,
der 1831 die Höhere Gewerbeschule
– den Vorläufer der heutigen
Leibniz Universität Hannover – gründete
und dort mechanische Technologie
lehrte. Er begründete damit eine lange
Tradition erstklassiger Forschung in
der Fertigungs- und insbesondere der
Umformtechnik.
Große Tradition hat auch das Umformtechnische
Kolloquium Hannover
(UKH), zu dem sich seit 1952 die „Umformer“
Deutschlands am IFUM treffen.
Im kommenden Jahr, am 23. und
24. Februar 2011, wird das 20. UKH
ausgerichtet.
PZH 2010
aktuelle Themen
Zu den Kernkompetenzen am IFUM gehören
neben den klassischen Bereichen
Massiv- und Blechumformung weitere
Themengebiete wie Umformmaschinenentwicklung,
CA-Techniken und numerische
Methoden. Auch die interdisziplinären
Bereiche Biomedizintechnik
und Pulvermetallurgie werden abgedeckt.
Dem IFUM angegliedert ist außerdem
die Materialprüfanstalt für
Werkstoffe und Produktionstechnik
MPA. Beispiele aus dem Forschungsspektrum
des IFUM:
drucküberlagerte massiv-
umformung / In der Massivumfor-
mung werden aktuell die Auswirkun-
gen einer Drucküberlagerung auf den
Umformprozess untersucht, wie bei-
spielsweise beim Projekt von Insa Pfeif-
fer, die dabei Leichtmetalllegierungen
betrachtet. Das Ziel ist eine höhere Umformbarkeit
solcher Legierungen und
damit ein größeres Anwendungsspektrum.
Auch für Stahl, der allerdings
noch höheren Druck für ähnliche Effekte
erforderlich macht, wollen die Wissenschaftler
durch Drucküberlagerung
die Prozessgrenzen erweitern. Ein weiteres
Einsatzgebiet sind Bauteile, die an
ausgewählten Stellen ganz gezielt verfestigt
werden sollen – das ist unter anderem
ein Anliegen im SFB 675 „Hochfeste
Strukturen“.
Präzisionsschmieden / Über eine
enge Kooperation mit der Firma Lasco
konnten die Warmmassivumformer
ihren Maschinenpark um eine neue
Präzisionspresse erweitern. Das kommt
auch dem Sonderforschungsbereich
489 zu Gute, der Schmiedeprozesse
präziser auslegen und optimieren will:
Bauteile sollen so geschmiedet werden,
dass sie nahezu ohne Grat und endkonturnah
den Schmiedeprozess verlassen.
Das bedeutet enorme Kosten-, Energieund
Zeitersparnis.
24 Tonnen schwer,
fünf Meter hoch:
Die Ankunft der neuen
Präzisionspresse
der Firma Lasco Ende
2009 war Maßarbeit.
Seitdem verstärkt
sie die Warmmassivumformung.
Warmblechumformung / Eine ak-
tuelle und sehr vielversprechende Ent-
wicklung bei den Warmblechumfor-
mern des IFUM ist ein Verfahren zur
konduktiven Erwärmung der Bleche.

Bislang werden die Bleche überwiegend
in Öfen erhitzt, was sehr zeit- und kostenintensiv
ist. Beim neuen Verfahren
erwärmen sich die Bleche durch einen
direkten Stromfluss innerhalb von nur
20 Sekunden. Die Wissenschaftler
haben für die Auslegung eines solchen
komplexen Prozesses ein Simulationsmodell
aufgebaut, mit dem sie neben
Prozessparametern auch Gefügezusammensetzung
und mechanische Eigenschaften
von Bauteilen vorhersagen
können.
Pulvermetallurgie / In der Pulver-
metallurgie, eine Kombination von
Ur- und Umformverfahren, entwickeln
Wissenschaftler Prozesse zum Pressen
von nahezu einbaufertigen Bauteilen
aus Metallpulver. Sie können so Legierungen
verarbeiten, die beispielsweise
gießtechnisch nicht herstellbar sind.
Am IFUM haben die Pulvermetallurgen
in einem Teilprojekt des SFB 653 „Gentelligente
Bauteile“ ein Verfahren entwickelt,
mit dem in einem solchen Bauteil
Informationen hinterlegt werden
können. Dieses Verfahren beherrschen
sie auch numerisch – was nicht ganz
einfach ist, denn anders als bei den
meisten Simulationen spielen hier nicht
nur die Elastizität und die Plastizität,
sondern auch die Kompressibilität des
Pulvers als zusätzliche Dimension eine
Rolle.
maschinendiagnostik / Mitarbeiter
aus dem Forschungsbereich Maschinen
beschäftigen sich unter anderem mit
der Diagnostik von Umformmaschinen.
Sie können helfen, wenn Anwender die
Charakteristik ihrer Maschine nicht
kennen, wenn sich der Pressentisch
durchbiegt oder beim mehrstufigen Prozess
in der letzten Stufe die gewünschte
Prägung auf dem Bauteil einfach nicht
zustande kommt. Mit Hilfe einer Maschinendiagnose
sowie der Simulation
der Prozesskräfte und einer gekoppelten
Simulation der Maschine – einer Prozess-Maschine-Simulation
– können
Probleme erkannt und behoben werden.
akustische emission / In diesem Ge-
biet wird an einem Verfahren gearbei-
tet, mit dem die akustischen Emissio-
nen während der Umformung gemessen
werden können. Dieses Verfahren eröffnet
völlig neue Einblicke in den Umformvorgang.
Die Wissenschaftler sind
in der Lage, Störeinflüsse der Maschine
auszublenden; was übrig bleibt sind Signale,
die direkt aus der Umformung
kommen. Über einen Sensor kann man
so auch das Versagen von Werkzeug
oder Bauteil hörbar machen.
biomedizintechnik / Die Biomedizin-
techniker des IFUM schließlich interes-
sieren sich im Zusammenhang mit dem
SFB 599 „Biomedizintechnik“ dafür,
wie Prothesen auf die umgebenden
Knochen der Menschen wirken. Das
Problem, das sie lösen wollen: Oft
schirmt eine Hüftprothese den angrenzenden
Knochen ab; Knochen, die nicht
belastet werden, bilden sich aber zurück.
Ihre Maxime heißt „besser viel
simulieren statt viel ausprobieren“, und
so bilden sie den Bewegungsapparat
des Menschen als Mehrkörpersimulation
ab – mit Massen, Federn und Dämpfern
– und untersuchen die auftretenden
Belastungen. Ihre Vision ist die
Entwicklung von Implantaten, die den
speziellen Anforderungen von Patienten
gerecht werden.
Personen & Patente
schnittschlagdämPfung / Eine patentierte
Neuentwicklung aus dem Arbeitsbereich
„Maschinen“ ist ein neuartiges
Verfahren zur Schnittschlagdämpfung:
Was beim Bohren passiert,
IFUM – Das InsTITUT
wenn der Bohrer plötzlich „durch“ ist,
tritt auch beim Stanzen von Blechbauteilen
auf. Basis ist ein neu entwickelter
Elektromotor, der reaktionsschnell auftretende
Schwingungen beim Schnittschlag
dämpfen kann.
kontaktfreier vorschub / Eine wei-
tere Patentanmeldung hat Olaf Mart-
hiens vom IFUM eine EXIST-Förderung
in Höhe von fast 400.000 Euro beschert:
Marthiens will dem klassischen
Prinzip des Walzenvorschubs, bei dem
das zu verarbeitende Bandmaterial
durch zwei angetriebene Stahlwalzen
in die Presse geführt wird, den Todesstoß
versetzen. Bei ihm sorgen elektromagnetische
Kräfte dafür, dass das
Blechmaterial kontaktfrei, positionsgenau
und mit hoher Geschwindigkeit
fortbewegt wird.
mobiler geWinderoller / Philipp
Silberkuhl, ehemaliger studentischer
Mitarbeiter und Projektarbeiter am
IFUM, wurde durch seine Arbeit inspiriert,
die Idee zu einem mobilen Gewinderoller
zum Patent anzumelden. Er hat
sich mit der Firma Silbertool selbstständig
gemacht – unterstützt vom Gewinn
des Göttinger Innovationspreises
und des Wettbewerbs „enable2start“
der Financial Times Deutschland.
habilitationsstiPendium / Kathrin
Voges-Schwieger, Mitarbeiterin in der
Blechumformung, hat im Rahmen des
Programms zur Förderung des weiblichen
Nachwuchses auf dem Weg zur
Professur ein Stipendium gewonnen,
um innerhalb von fünf Jahren eine Habilitationsschrift
auszuarbeiten.
48 wissenschaftliche Mitarbeiter
23 nichtwissenschaftliche Mitarbeiter
62 studentische Mitarbeiter
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