SIEMENS

Für viele Unternehmen hängt ihre Wettbewerbsfähigkeit unmittelbar von Werkstoffen ab, die Produkte kostengünstiger oder umweltfreundlicher machen. Das gilt auch für Siemens. Zum Beispiel bei Gasturbinen: Will man deren Wirkungsgrad erhöhen, bedeutet dies höhere Verbrennungstemperaturen und damit neue Werkstoffe, die das aushalten. Ähnliche Beispiele gibt es in fast allen Geschäftsfeldern des Konzerns.

Doch für neue Produkteigenschaften bedarf es nicht immer neuer Werkstoffe. Oft würden alte ausreichen, könnte man diese zu neuen Kombinationen verbinden. Wie dies geht, erforschen mehrere Teams bei Corporate Technology (CT), der globalen Forschung von Siemens. Ihre Idee: Wo heute ausschließlich Metalle oder Keramiken einer Sorte ver- wendet werden, sollen in Zukunft Kombinationen zum Einsatz kommen, jeweils maßgeschneidert für einen Zweck. Außer der Steigerung der Leistungsfähigkeit rücken Roh- stoff-Effizienz, Leichtbau und die damit einhergehenden Kostenvorteile immer mehr in den Vordergrund.

Wo die Reise hingeht, erläutert Dr. Friedrich Lupp, Principal Engineer bei CT, am Beispiel des „Narrow Gap Welding“, des „Engspaltschweißens“. Beim manuellen Schweißen werden für die Nahtvorbereitung zuerst die Kanten der Metallteile mechanisch so abgeschrägt – mit entsprechendem Abfall –, dass an der Verbindungsstelle eine V-Form entsteht. Danach wird diese V-förmige Lücke mit geschmolzenem Metall aufgefüllt. Da die Metallteile Dicken von deutlich mehr als 250 Millimeter haben, sind die zu füllenden Räume entsprechend groß, es muss also sehr viel teurer Schweißdraht und Energie verwendet werden, um diese zu füllen. Anders bei dem von CT maßgeblich mitentwickelten Verfahren: Dort ist die Lücke nur 12 Millimeter schmal. Ein spezieller Schweißkopf fährt durch diesen Spalt und füllt ihn mit geschmolzenem Metall – automatisch und ohne Handarbeit.

Neu ist das Verfahren nicht – die Entwicklung dieser Schweißköpfe wurde bereits vor 30 Jahren begonnen. Doch mit der heute zur Verfügung stehenden Rechenpower können auch sich ändernde Spaltbreiten automatisch erfasst und ausgeglichen werden. Ein Teil der Sensorik ist der Schweißkopf selbst. Der Lichtbogen, der Draht und Grundmaterial schmilzt, dient dabei gleichzeitig als Sensor. Er misst über die elektrische Spannung und den Strom den Abstand zu den Wänden und zum Grund. Ebenfalls neu: Für die Qualitätskontrolle verwenden die Forscher erstmals einen temperaturfesten Röntgendetektor, der unmittelbar nach dem Schweißen Defekte am noch heißen Teil aufspürt.

Die Teams arbeiten noch an weiteren Methoden. Eine ist das Schweißen mit Hochleistungslasern, die so schmale Nähte erzeugen, dass sie die metallurgischen Eigenschaften kaum verändern und den Energieverbrauch deutlich senken. Exotischer noch sind die Pressschweißverfahren. Dort werden zwei massive Werkstücke unter hoher Kraft gegeneinander gerieben, so dass sich die Oberflächen der beiden Teile verbinden, ohne dass die Werkstücke aufgeschmolzen werden. Das erlaubt es, auch Metalle zu verschweißen, die sich bisher nur schwer verbinden ließen – wie Aluminium und Kupfer oder Aluminium und Stahl. Noch ist vieles Grundlagenforschung. Falls die Tests in den CT-Labors erfolgreich sind, würden solche neuen Materialmixe aber Kosten sparen: Teure Metalle wie Molybdän, Indium, aber auch Chrom, Kupfer oder Silber könnten dann ausschließlich an neuralgischen Stellen eines Produkts verwendet werden.

Bei einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerk gelten beispielsweise für den gemeinsamen Rotor ganz unterschiedliche Temperatur- und Materialanforderungen. Anstatt überall einen teuren Werkstoff zu verwenden, optimiert das Engspaltschweißen von Teilstücken den Rohstoffeinsatz. „Mein Traum ist eine Software, die den Konstrukteuren sagt, welche Materialien sie an welcher Stelle mit welchen Fertigungsverfahren benutzen sollen, um die Rohstoff-Effizienz zu steigern und Kosten zu sparen“, sagt Lupp. Gleichzeitig solle die spätere Recycling-Fähigkeit bei dem Materialmix mit betrachtet werden. So ein Projekt könne man aber nur zusammen mit Siemens PLM-Software stemmen.

Aus alt wird neu. Auch wenn eine Turbine repariert werden muss, hat CT ein neues Schweißverfahren in petto. Dabei sprüht eine Düse Metallpulver auf verschlissene Turbinenschaufeln. Beim Auftreffen wird das Pulver von einem Laser aufgeschmolzen und verbindet sich mit der Schaufel. Eine Bildverarbeitungssoftware prüft vorher die Defekte und steuert einen Roboterarm mit der Schweißdüse. So lassen sich Bauteile beim Kunden halbautomatisch reparieren – Kollegen im Turbinenwerk von Siemens in Berlin haben das Verfahren bereits erfolgreich getestet. „Wiederverwenden statt Recyceln ist hier unser Ziel, weil es wertvolle Rohstoffe und Energie spart“, sagt Lupp.

Recyceln statt neu bauen – das bevorzugt auch Dr. Ursus Krüger, der in Berlin die Forschungsgruppe Coatings leitet, wo er das Kaltgasspritzen vorantreibt. Dabei schießt eine Überschalldüse Pulverteilchen mit bis zu 1000 Metern pro Sekunde auf die Oberfläche eines Bauteils. Beim Aufprall wird so viel Energie frei, dass die Partikel verschweißen. Wegen der niedrigen Gas- und Pulvertemperaturen bleibt das Bauteil kalt genug, so dass es sich nicht verformt, gehärtet oder weichgeglüht wird – ideal für die Reparatur beschädigter oder mit Maßfehlern gelieferter Teile wie Gusseisengehäuse oder Leichtbauteile. Dank Kaltgasspritzen können größere Schäden mit dem gleichem Material repariert oder ganz neue Formen, die der Endkontur nahe kommen, gefertigt werden – teilweise sogar vor Ort und ohne Ausbauen von Teilen.

Anders als beim Flamm- oder Plasmaspritzen reagiert das Prozessgas beim Kaltgas- spritzen nicht chemisch, so dass Zusammensetzung und Gefüge des Spritzguts während der Abscheidung erhalten bleiben. Kaltgasspritzen eignet sich daher zum Beschichten von Metallen, Keramik, Gläsern und Kunststoffen mit Metallschichten höchster Qualität und praktisch unbegrenzter Dicke. Es wirkt reinigend wie Sand- und verfestigend wie Kugel-Strahlen und macht Vorbehandlungen weitgehend überflüssig. Gespritzte Hartstoffschichten können sogar härter als ihr Ausgangsmaterial sein. Kaltgasspritzen mache einiges in der Fertigung einfacher, resümiert Projektleiter Dr. Oliver Stier. Deswegen will Krüger die starke Patent- und Technologieposition von Siemens in diesem Gebiet weiter ausbauen. So hat sein Team eine Kombination aus Kaltgasspritzen und Pulverauftragsschweißen patentiert sowie das Suspensions-Kaltgasspritzen von Nanopartikeln. Die Verfahrenskosten für einen neuen Anwendungsfall kann Stier sogar beziffern, bevor der Prozess technisch erprobt wird. Auf diese Weise werden nur Verfahren entwickelt, die sich auch rechnen.

Neue Kombinationen. Bei CT in München arbeitet ein weiteres Team unter Leitung von Dr. Wolfgang Rossner ebenfalls an außergewöhnlichen Methoden, um höchst unterschiedliche Materialien zu verbinden. Eine ist das ultraschnelle Sintern, eine Alternative zu klassischen Verbindungstechniken wie Schweißen. Dabei werden die Werkstoffe unter extrem hohem Druck und großer Hitze zusammengepresst, bis sie sich verbinden. Dieses Verfahren ist seit längerem etabliert, dauert aber lange. Werden die Werkstoffe dagegen nicht von außen erhitzt, sondern mit einem hohen elektrischen Strom von innen, braucht dies nur 20 Minuten. Dieses so genannte Spark-Plasma-Sintern wird neuerdings in der Produktion für gängige Keramik- und Metall-Werkstoffe angewandt. Rossners Team interessiert sich aber vor allem für völlig neue Kombinationen, wie Komposite aus Metall und Keramik.

Rossner zeigt ein Probewerkstück von der Größe einer Münze. Die graue Seite besteht aus Hochtemperatur-Stahl, die weißlich glänzende Seite ist eine Metalloxid-Keramik. „Diese beiden Werkstoffe können Sie nicht mehr trennen“, sagt der Materialexperte. An der nur wenige Mikrometer dünnen Grenzschicht gibt es einen kontinuierlichen Übergang zwischen Metall und Keramik. Das Team arbeitet nun daran, die Haftung zwischen Keramik und Metall zu verbessern. Davon würden alle Materialien profitieren, die extrem hohen Temperaturen trotzen müssen.

Und die Forscher denken sogar schon einen Schritt weiter: Mixturen aus feinen Metall- und Keramikpulvern sollen zu extrem widerstandsfähigen Werkstoffen gepresst werden. Das sei prinzipiell möglich, versichert Wolfgang Rossner, dessen Team bereits Anwendungen für Gasturbinen und Hochspannungsschalter auslotet. „Solche Materialien würden dann völlig neue Kombinationen von Eigenschaften ermöglichen, etwa eine elektrische Isolation wie bei Keramik und gleichzeitig eine plastische Verformbarkeit wie bei Metallen.“