CaNaMat

CaNaMat – Carbon Nanotubes in Magnesium, Aluminium und Titan

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

© Fraunhofer IWM

Ziel des Projekts

Um den ständig wachsenden Bedarf, unter anderem in der Automobilbranche und in der Medizintechnik, an Verbundwerkstoffen, welche eine höhere mechanische Festigkeit als herkömmliche Legierungen besitzen, gerecht zu werden, wurde das Projekt 2008 ins Leben gerufen um Verbundwerkstoffe aus Multiwalled Carbon Nanotubes (MWNT), Leichtmetallen (Mg, Al, Ti) und deren Legierungen zu entwickeln. Es wurde erwartet, dass sich diese Komposite im Vergleich zu den herkömmlichen Legierungen nicht nur durch eine höhere mechanische Festigkeit auszeichnen, sondern dass die thermischen, dämpfenden und tribologischen Eigenschaften gegenüber dem Grundwerkstoff durch den MWNT-Eintrag zusätzlich verbessert werden.

Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die generelle Zielsetzung des Projektes die Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe mit optimierten Eigenschaften war, die reproduzierbar hergestellt und im industriellen Bereich eingesetzt werden können.

Projektpartner

Audi ist ein weltweit operierender Entwickler und Produzent hochwertiger Automobile. Beim Aluminium-Leichtbau ist Audi Pionier und Technologieführer. Das Aluminium- und Leichtbauzentrum am Standort Neckarsulm trägt hierbei seit rund einem Jahrzehnt Schlüsselfunktion.
Ansprechpartner Audi AG
Dipl. Ing. Alexander Hoffmann
Tel. 07132 31 1104
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Als weltweit agierender Automobilzulieferer mit Sitz in Neckarsulm entwickelt, produziert und vertreibt die KS Kolbenschmidt GmbH Kolben für Otto- und Dieselmotoren im Bereich Personen- und Nutzfahrzeuge und gehört in diesem Segment weltweit zu den führenden Herstellern.
Ansprechpertner KS Kolbenschmidt GmbH
Carmelo Veneziano
Tel. 07132 33 26 90
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Die Rheinfelden Alloys GmbH & Co. KG verfügt über weit reichende Erfahrung in der Entwicklung und industriellen Herstellung von Aluminium Gusslegierungen.
www.rheinfelden-alloys.eu
Ansprechpartner Rheinfelden Alloys GmbH & Co. KG
Rüdiger Franke
Tel. 07623 93-574
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NTP hat sich als Ziel gesetzt, die Prozesssicherheit des Gießverfahrens mit CNT-infiltriertem Material zu testen, zu gewährleisten und zu dokumentieren.
Ansprechpartnerin NTP GmbH
Gisela Mahr
Tel. 0172 9718171
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Die TiJet Medizintechnik GmbH stellt Titanimplantate mittels MIM her. Die hier am häufigsten verwendete Legierung ist Ti 6Al 4V.
Ansprechpartner TiJet Medizintechnik GmbH
Wendelin Winkelmüller
Tel. 0431 659 4625
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TRW Automotive gehört zu den Global Playern der Automobilzulieferbranche und ist weltweit führend in der Entwicklung von Fahrzeugdynamiksystemen, Fahrerassistenzsystemen, Radbremsen, Airbags, Sicherheitsgurten und Elektronik- und Softwaretechnologien, die die Sicherheit und den Komfort der Fahrzeuge von morgen entscheiden.
Ansprechpartner TRW Automotive Safety Systems GmbH
Harun Bidaniko
Tel. 06021 314 1431
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Ein Schwerpunkt des Fraunhofer IWM ist die Bewertung der Sicherheit und Lebensdauer von Werkstoffen und Bauteilen unter betriebsrelevanten Beanspruchungen auf der Basis der Kenntnis ihres Verformungs- und Versagensverhaltens.
Ansprechpartner Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
PD Dr. M. Moseler
Tel. 0761 5142-332
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Das Fraunhofer IPA als Spezialist für Prozess- und Verfahrenstechnik wird die benötigten Herstellprozesse entwickeln die benötigt werden um die Nanotubes zu dispergieren und gleichmäßig in den Legierungen zu verteilen. Im Bereich der Dispergierung von Nanopartikeln verfügt das IPA über weltweit einzigartiges Know-How und die benötigte Infrastruktur.
Ansprechpartner Fraunhofer IPA
Carsten Glanz
Tel. 0711 9703736
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Die SINEUROP Nanotech GmbH ist ein privates Forschungslabor, das von ehemaligen Mitarbeitern des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart gegründet worden ist. SINEUROP synthetisiert, reinigt, charakterisiert und funktionalisiert Carbon Nanotubes, wobei ein besonderer Schwerpunkt bei den einwandigen Nanoröhrchen liegt.
Ansprechpartner SINEUROP Nanotech GmbH
Dr. Siegmar Roth
Tel. 0711 689-1434
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Ergebnisse

Im Projekt wurden durch das Konsortium CNT modifizierte Aluminium-, Magnesium- und Titanlegierungen entwickelt. Dabei wurden, beginnend mit der Multiskalensimulation, alle Aspekte der theoretischen Werkstoffentwicklung eingesetzt, um die späteren Materialversuche auf industriellem Maßstab zu unterstützen. Es wurden verschiedene Herstellverfahren angepasst, um die Zumischung der Nanotubes zu bestehenden Legierungen zu ermöglichen.

Dabei zeigte sich, dass eine Herstellung der Komposite in Schmelze aufgrund der Prozessbedingungen schwer kontrollierbar ist. Die gezeigten Verbesserungen konnten mit schmelzmetallurgischen Herstellverfahren nicht reproduziert werden.

Dem gegenüber ist die Herstellung der Komposite durch pulvermetallurgische Verfahren besser kontrollierbar und eröffnet Möglichkeiten das Potential der Materialklasse zu nutzen.

Es konnten bereits im Rahmen des Projektes verschiedene Verbesserungen an den Materialien nachgewiesen werden. So konnte zum Beispiel mit Hilfe beschichteter CNTs eine bessere Anbindung der Kohlenstoffnanoröhrchen an das Matrixmaterial erzielt werden. Durch Anpassung des Herstellungsprozesses ist es zudem gelungen, eine sehr gute Verteilung der CNTs in den Metalllegierungen zu erreichen.

Für bestimmte Aluminiumlegierungen konnte durch die Zugabe von Carbon Nanotubes die Zugfestigkeit um 15 % und die Bruchdehnung um 50 % erhöht werden.

Titanlegierungen konnten hinsichtlich Streckgrenze und Zugfestigkeit um 25 % verbessert werden.

Durch ein modifiziertes Herstellverfahren konnte der Reibkoeffizient von Aluminiumoberflächen um bis zu 600 % verringert werden. Diese Materialien sind vor allem für Lager und für medizintechnische Anwendungen interessant.

Die Partner arbeiten, aufbauend auf den Ergebnissen des Projektes, weiter zusammen, um die Fertigungstechnologien für die Materialien zu verbessern und einen Einsatz der Komposite zu ermöglichen.

1. REM Aufnahme einer CNT modifizierten Aluminiumlegierung