Ausgabe - 01-02 - 2012 - Produktion

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16 · Konstruktion Werkstoffe · Produktion · 12. Januar 2012 · Nr. 1-2 METALLSCHAUM Höhere Energiedichte für Alternativantriebe PRODUKTION NR. 1-2, 2012 Der o�enporige, frei formbare und elektrisch leitende Metallschaum der Alantum Europe GmbH lässt sich an die jeweilige Anwendung anpassen und ermöglicht höhere Energiedichten sowie längere Laufzeiten. MÜNCHEN (RM). Einsatzmöglichkeiten bestehen unter anderem als Gasdiffusionslage in Metall-Luft- Batterien oder Brennstoffzellen oder als Current-Collector in Supercapacitoren. Seine Einsatzflexibilität erhält der Metallschaum durch einen speziellen Herstellungsprozess. Dabei entstehen Nickel- Schaummatten mit offenporiger Struktur und hohlen Stegen. Die Porengröße ist mit 450, 580, 800 und 1200 µm genau definiert. Anschließendes Glühen hält den Werkstoff flexibel und frei formbar. Eingesetzt wird der elektrisch leitende Metallschaum in großen Mengen als Kathode in Nickel-Metall-Hydridbatterien(NiMH-Akkus), die unter anderem bei Elektroautos und Hybridfahrzeugen Stand der Technik sind. Bei dieser Anwen- dung eröffnet der Nickel-Metallschaum noch Optimierungspotenzial zur Steigerung der Energiedichte. Und zwar durch eine Beschichtung mit Grafit oder anderen für die Energiespeicherung geeigneten pulverförmigen Materialien, die in einem speziellen Sinterprozess auf die offenporige Struktur aufgebracht werden. Um Verbesserungen bei Reichweite und Beschleunigung von Fahrzeugen zu erzielen, läuft die Forschung im Bereich Batterietechnologie weltweit auf Hochtouren. Ein vielversprechender Ansatz sind Metall-Luft-Batterien. Deren Leistung lässt sich mit dem porösen Werkstoff ebenfalls verbessern. Als Gas-Diffusionslage optimiert der Schaum die Anströmung der Metall-Elektrode, zum Beispiel Zink, mit Sauerstoff. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Energieproduktion und Leistungsabgabe. Für diesen Einsatz steht der Werkstoff als reiner Nickelschaum und als Metalllegierungsschaum bereit. Letzterer wird nach der Herstellung in einem stabilen Prozess mit hochlegierten, anwendungsoptimierten Metallpulvern beschichtet. Damit können beispielsweise die Beständigkeit gegenüber aggressiven Atmosphären und Korrosion sowie eine Temperaturbeständigkeit bis 1 000 °C einstellt werden. Superkondensatoren gleichen Spannungsspitzen aus Einen Beitrag zur Elektromobilität können auch Superkondensatoren leisten. Denn sie gleichen die beim Beschleunigen und Bremsen auftretenden Spannungsspitzen aus und verlängern damit die Lebensdauer von Batterien und Brennstoffzellen. Die so genannten Supercaps können Energie schneller abgeben und aufnehmen als Batterien, allerdings haben sie nicht eine so hohe Energiedichte. Ob diese sich durch den Einsatz von Schaummaterial erhöhen lässt, war Bestandteil des Forschungsprojekts „Alternative Energy Technologies for Transportation (AE- TT)“, das die Fraunhofer-Gesellschaft gemeinsam mit der Universität Michigan und dem Fraunhofer- Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) sowie der Alantum Europe als Schaumlieferant durchführte. Der Metalllegierungsschaum diente dabei als Stromsammler. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen Kohlenstoff auf eine Folie aufgebracht wird, wurde der Schaum mit Molybdän- und Vanadium-Nitrit als aktivem Material infiltriert. Diese Materialien haben im Vergleich zu Kohlenstoff eine zwei- bis dreifach höhere Energiedichte. Durch die spezielle Struktur und große Oberfläche des Schaumes gelang es, so viel aktives Material aufzubringen, dass auch eine Erhöhung der Energiedichte des Bauteils Supercap um den Faktor zwei bis drei möglich ist. Mit Vorteilen kann der Metalllegierungsschaum auch beim Einsatz als Gasdiffusionslage in Brennstoffzellen aufwarten. Hier ist es einerseits eine optimierte Gleichverteilung des Gases und die daraus resultierende, höhere Leistungsdichte über die gesamte Membranfläche. Andererseits kann der Metall- VENTILGEHÄUSE Guss noch korrosionsbeständiger und exakter PRODUKTION NR. 1-2, 2012 Für die Siemens Division Building Technologies Rastatt produziert Schmolz + Bickenbach Guss besonders korrosionsbeständige Ventilgehäuse. Dabei kommt es besonders auf die richtige Gießtechnik und Werksto�auswahl an. KREFELD (RM). Die Ventile werden unter anderem in Kühlsystemen von Anlagen zur Chipherstellung eingesetzt. Dort muss die Kühlung bis auf ein Tausendstel Grad Celsius genau sein. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die eingesetzten Komponenten – so auch an die in den Regelsystemen verwendeten Ventilgehäuse. Da beim Endkunden das Prozesswasser umgestellt wurde, haben sich auch die Anforderungen an die Gehäuse verändert. Es wurde eine höhere Korrosionsbeständigkeit sowie eine aufwändigere Qualitätskontrolle des Gieß- und Bearbeitungsprozesses notwendig. Für den Edelstahlguss-Experten bestand die Herausforderung damit in einer Optimierung der Ventilgehäuse, des Gieß- und Bearbeitungsprozesses und der fertigungsbegleitenden Kontrolle der Qualitätsanforderungen. Im ersten Schritt wurde das Werkstoffkonzept verändert. Nun Sowohl bei Nickel-Metall- Hydrid- als auch Metall- Luft-Batterien eröffnet Metallschaum Potenzial für eine höhere Energiedichte und Leistungssteigerung. kommt der hochkorrosionsbeständige Werkstoff GX2CrNiMo19-11-2 (1.4409) zum Einsatz. Er schafft neben der guten Verarbeitbarkeit sowie einem günstigen Fließverhalten auch die Möglichkeit, notwendige Produktionsschweißungen normgerecht und ohne eine weitere Lösungsglühung auszuführen. Die Pumpengussteile werden montagefertig ausgeliefert Darüber hinaus erfolgte eine stufenweise Überarbeitung der Gießtechnik: Durch eine Veränderung der Eingusssysteme und der Gießlage wurden kritische Stellen wie dünne Wände, Übergänge oder Hinterschneidungen zahlenmäßig reduziert. Die Oberflächen- und Volumengüten konnten höher eingestellt werden. Erste Gehäuse-Prototypen hat Siemens erfolgreich umfangreichen Tests unterzogen – es gab keine Korrosionsprobleme mehr. Bei den Gehäusen dieser Ventile wurde eine höhere Korrosionsbeständigkeit sowie eine aufwändigere Qualitätskontrolle des Gieß- und Bearbeitungsprozesses realisiert. Bild: Schmolz + Bickenbach Guss Gruppe Als Gasdiffusionslage in Brennstoffzellen ermöglicht der Metallschaum eine optimierte Gleichverteilung des Gases und daraus resultierend eine höhere Leistungsdichte über die gesamte Membranfläche. Bilder: Alantum Europe GmbH Im Forschungslabor werden auch Muster angefertigt Auf dieser Basis wurden bisher rund 200 Ventilgehäuse der DN-50- Baureihe ausgeliefert, weitere 150 sind beauftragt. Schmolz + Bickenbach Guss übernimmt die komplette mechanische Bearbeitung der Ventilgehäuse. Es werden diverse Gewinde sowie Passungen zum Einpressen der Ventilsitze und des Antriebes eingebracht. Siemens erhält ein einbaufertiges Bauteil. Zur Sicherung der Korrosionsfreiheit wird dieses chemisch gebeizt. Hierbei werden alle ferritischen Verunreinigungen – diese sind Ursache für Roststellen – sowie dicht unter der Oberfläche liegende Ungänzen geöffnet, so dass die geforderte Gütestufe eingestellt werden kann. Bevor die Ventilgehäuse ausgeliefert werden, erfolgt abschließend eine Qualitätsprüfung durch Inhouse-Experten. Dazu gehört neben einer Farbeindringprüfung auf Risse oder Poren an der Oberfläche auch bei jedem Ventil eine Druckprobe, da die Gehäuse später unter Druck eingesetzt werden. www.guss.schmolz-bickenbach.com EFFIZIENZ-NAVI PREIS MATERIAL ENERGIE SERVICE HANDHABUNG ZEIT ✔ LEBENSDAUER ✔ KOSTEN SENKEN MIT PRODUKTION schaum an die Bipolarplatte angesintert werden, so dass eine direkte elektrische Verbindung entsteht. Ein weiteres Plus ist, dass der Metalllegierungsschaum der üblicherweise sehr aggressiven Atmosphäre in Brennstoffzellen widersteht. Für den Einsatz als Gasdiffusionslage lässt sich der Werkstoff mit den gängigen Legierungen wie der Edelstahllegierung 316L und Cro- Fer ebenso wie mit neuen, anwendungsoptimierten Metallpulvern beschichten. Rund 4 Mio m2 Nickelschaum produziert Alantum derzeit in China pro Jahr. Hinzu kommen 500 000 m2 Metalllegierungsschaum aus Korea. Um den Werkstoff für Anwendungen in der Elektromobilität weiter zu optimieren, arbeitet das Unternehmen mit dem Fraunhofer IFAM in Dresden zusammen. www.alantum.com EFFIZIENZ-NAVI PREIS MATERIAL ✔ ENERGIE ✔ SERVICE HANDHABUNG ZEIT LEBENSDAUER ✔ KOSTEN SENKEN MIT PRODUKTION Investition in neue Maschinentechnik PRODUKTION NR. 1-2, 2012 Wegen ihrer positiven Auftragsentwicklung investiert die Artur Monse GmbH in eine zusätzliche Druckguss-Fertigungszelle von Frech sowie einen Roboter zur Automatisierung. VELBERT (RM). Durch den Ausbau wurde der Druckgussbereich grundlegend umgestaltet und die gesamte Peripherie erneuert. Durch die Erweiterungsinvestition können bestehende Kunden schneller beliefert werden und es ist Kapazität für zusätzliche Produkte vorhanden. Monse beschäftigt zusammen mit seinem Formenbau knapp 50 Mitarbeiter und fertigt Zinkdruckgussteile mit einem Gewicht von 1 bis 500 g. Bei deren Auslegung stützt man sich auf aktuelle Software, um die optimale Form zu entwickeln. Werkzeugbau, Gießtechnik, Bearbeitung, Oberflächenbehandlung und Montage kompletter Baugruppen gehören zum Leistungsspektrum. Der Entwicklungs-, Konstruktions- und Herstellungsprozess kommt aus einer Hand. www.monse.de EFFIZIENZ-NAVI PREIS MATERIAL ENERGIE SERVICE HANDHABUNG ZEIT ✔ LEBENSDAUER KOSTEN SENKEN MIT PRODUKTION
METALL- UND KERAMIK-SPRITZGUSS 12. Januar 2012 · Nr. 1-2 · Produktion · Werkstoffe Konstruktion · 17 Weitere Anwendungsmöglichkeiten warten auf die Erschließung REINHARD BAUER, PRODUKTION NR. 1-2, 2012 Metall- oder Keramikteile lassen sich ebenso elegant und detailreich wie Spritzgießteile aus Kunststo� herstellen und erö�nen wegen ihrer Eigenschaften noch ein großes Potenzial für die Produktentwicklung. A-KOTTINGBRUNN (RM). Das Innovationspotenzial der Formteile, die durch MIM (Metal Injection Moulding) und CIM (Ceramic Injection Moulding) hergestellt werden, ist beträchtlich, aber weithin noch ungenutzt. In Österreich befassen sich vor allem die pimtec GmbH in Seibersdorf, die Ernst Wittner GmbH in Wien, sowie der Spritzgießmaschinenhersteller Wittmann Battenfeld GmbH in Kottingbrunn mit dieser Technik. Die Kompetenzen dieser Unternehmen reichen von der Rezepturentwicklung und Verfahrenstechnik, über den Werkzeugbau bis zum Maschinenbau und ergänzen sich damit. Bei diesem speziellen MIM-Teil aus Wolfram handelt es sich um den Emitter-Ring für einen Ionen-Antrieb eines Satelliten. Zu sehen ist „Grünling“ nach dem Spritzgießen. Bild: pimtec GmbH Flammhemmender Butyl-Dichtstoff für Kabel PRODUKTION NR. 1-2, 2012 Mit Terostat 3631 FR hat Henkel einen �ammgehemmten und einfach zu verarbeitenden Butyl- Dichtsto� entwickelt. DÜSSELDORF (RM). Im Gegensatz zu herkömmlichen Dichtstoffen auf Butyl-Basis hält der neue Terostat 3631 FR eine Dauereinsatztemperatur bis 105 ºC aus und zeigt im Brandfall ein selbstverlöschendes Verhalten. Damit eignet sich der Dichtstoff zum Beispiel zur Längswasserabdichtung von Kabelbündeln in Hitze entwickelnden Elektrogeräten. Neben dem effektiven thermischen Schutz kann der Butyl- Dichtstoff verarbeitet werden. Er dichtet zudem gut gegen Wasser und Feuchtigkeit ab. Als Knetmasse wird das Produkt von Hand zur Abdichtung des Kabelbaums verwendet. www.henkel.de EFFIZIENZ-NAVI PREIS MATERIAL ENERGIE SERVICE HANDHABUNG ✔ ZEIT ✔ LEBENSDAUER KOSTEN SENKEN MIT PRODUKTION Unbekannt ist, dass in einem Automobil durchschnittlich 5 bis 8 kg an Metallteilen stecken, die mit einem pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren gefertigt wurden. Weitere Beispiele sind die Auflageplättchen von Zahnspangen und die Implantatschrauben für den Zahnersatz. Der Mehrkomponenten-Spritzguss zur Kombination verschiedener Materialien mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften ist nicht auf Kunststoffe oder Elastomere beschränkt, sondern auch mit Metallen und Keramiken realisierbar. Ein Beispiel ist die Kombination von nichtmagnetischen und magnetischen Werkstoffen zu einem Verbundbauteil für die Elektrotechnik. Auch Formteile aus Hartmetall lassen sich fast nacharbeitsfrei über den Verfahrensschritt Spritzgießen herstellen, auch in großen Serien und zu vertretbaren Kosten. Diese sind wirtschaftlich umso interessanter, je höher der Innovationsgrad und die Funktionsintegration sind. Ausgangspunkt des Herstellprozesses ist immer pulverförmiges Rohmaterial mit einer definierten Korngröße. Zur Verarbeitung des Pulvers – Metall oder Keramik – wird ein Bindemittel zugemischt, das den Zusammenhalt der Pulverpartikel während der Spritzgießverarbeitung sicherstellen soll. Dazu müssen in einem Mischprozess möglichst alle Werkstoffpartikel Ihr Prozess braucht eine zuverlässige Pumpe Ihr Spezialist für Verdrängerpumpen www.verder.de gleichmäßig und agglomerationsfrei mit dem Bindemittel ummantelt werden. Ursprünglich verwendete man zu diesem Zweck Bindemittel auf der Basis von Wachsen, deren nachfolgende Entfernung aber zeitaufwändig und technisch problematisch war. Neuere Bindemittelsysteme sind wasserlöslich, beispielsweise auf der Basis von Polyvinylalkohol, oder katalytische Binder, die auf der Möglichkeit des Abbaus von Polyoximethylen (POM) durch starke Säuren beruhen. Bei letzterem wird der Binder von außen nach innen vom festen in den gasförmigen Zustand (Formaldehyd) übergeführt und anschließend verbrannt. PIM-Verfahren: Komplexe Geometrien sind möglich In einem Folgeschritt wird das Material/Binder-Gemisch zu einem so genannten Feedstock in Form eines rieselfähigen Granulats konfektioniert. Das Granulat kann prinzipiell auf einer üblichen Spritzgießmaschine verarbeitet werden. Einzige Voraussetzung dafür ist, dass die Plastifizier- bzw. Spritzeinheit und die Verfahrenssoftware auf die Materialeigenschaften des Feedstocks abgestimmt sind. Der Verfahrensablauf des Spritzgießens unterscheidet sich nur unwesentlich vom dem bei der Kunststoffverarbeitung. Der verarbeitete Feedstock wird im Schneckenaggregat erwärmt, das Bindemittel dadurch aufgeschmolzen und das Gemenge anschließend in ein gekühltes Spritzgießwerkzeug einge- Formteile auf der Basis von Pulvermetallen, aber auch keramischen Werkstoffen, werden überall dort eingesetzt, wo andere Werkstoffe die Anforderungen nicht oder nur unzureichend erfüllen können. Bild: Indo-MIM / Wittmann Battenfeld spritzt. Die Fahrbewegungen der Schließeinheit sind etwas langsamer und die Bremsphasen etwas sanfter als beim Thermplast-Spritzguss üblich. Damit soll die vergleichsweise sprödere Struktur des Spritzlings geschont werden. Die Formteile sind aber dennoch so stabil, dass sie in vielen Fällen frei fallend entformbar sind. Sehr empfindliche Teile müssen per Hand oder Roboter entnommen werden. Auch das Spritzgießwerkzeug unterscheidet sich nicht grundsätzlich von einem Werkzeug für Kunststoff- Formteile. Die wichtigsten Unterschiede beziehen sich auf die Angussauslegung – es kommen fast ausschließlich feste Anbindungen in Frage – und die zu berücksichtigenden viel höheren Schwindungswerte, bedingt durch den anschließenden Sinterprozess. Schlauchpumpen Druckluftmembranpumpen Kolbenmembranpumpen Zahnradpumpen Dreh- und Kreiskolbenpumpen Die Spritzgussteile (Grünlinge) gehen vor dem Sintern zum „Entbindern“, der Entfernung des Bindemittels aus dem Formteil. Abgestimmt auf die unterschiedlichen Binder werden dafür unterschiedliche Verfahren angewandt. Den Formteil ohne Binder, der allein durch die formschlüssige Verzahnung der Partikel stabil zusammenhält, bezeichnet man auf Grund seines geänderten Aussehens als „Braunteil“ oder „Blauteil“. Bei Keramikteilen spricht man von einem „Weißteil“. Die bindemittelfreien Formteile gehen samt unterstützenden Aufnahmen in einen Sinterofen, wo sie „gebacken“ werden. www.wittmann-group.com EFFIZIENZ-NAVI PREIS MATERIAL ENERGIE SERVICE HANDHABUNG ZEIT ✔ LEBENSDAUER ✔ KOSTEN SENKEN MIT PRODUKTION Produktion_01-02-2012.indd 1 15.12.2011 16:35:07
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