Innovative Werkstoffe und Technologien für das neue Jahrtausend

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1 Innovative Werkstoffe und Technologien für das neue Jahrtausend Innovative Werkstoffe und Technologien für das neue Jahrtausend Von Dr. Kerstin Dittes, Materialforschungsverbund Dresden e.v. in Gründung Bruchzähigkeitstest an polymeren Verbundwerkstoffen: Mikroskopische Aufzeichnung des Risswachstums beim DCB Versuch (Double Cantilever beam Doppel Biegebalken) Foto: Institut für Polymerforschung Die moderne Werkstoff Forschung stellt eine wichtige Grundlage für Hochtechnologie und zukünftige Innovationen dar. Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz industrieller Produkte hängen entscheidend von den eingesetzten Materialien ab. Jedoch tritt der Werkstoff im Bewusstsein der Öffentlichkeit häufig hinter das fertige System oder Endprodukt zurück. Dabei sind die Fortschritte z.b. in der Mikroelektronik, der Bio und Nanotechnologie oder im Leichtbau ohne innovative Materialien kaum noch denkbar. Das vorliegende Heft zeigt einen Ausschnitt aus dem riesigen Spektrum ihrer Entwicklung und Anwendung. Gleichzeitig möchte sich damit der Materialforschungsverbund Dresden (MFD) vorstellen, der einen großen Teil der hiesigen Werkstoff Kompetenz repräsentiert. Denn Dresden gehört nicht nur zu den führenden Materialforschungszentren Deutschlands sondern ist auch international als wichtiger Standort der Werkstoffwissenschaften sichtbar. Hier bündeln sich Kompetenz und Spitzentechnologien in außergewöhnlicher Vielfalt. Das Forschungsspektrum umfasst nahezu alle Materialklassen, angefangen bei den verschiedensten Metallen, über die Polymere bis hin zu Keramik und Verbundwerkstoffen. Tiefe Temperaturen und hohe Magnetfelder kommen ebenso zum Einsatz wie Oberflächen, Schicht und Leichtbautechnologien. Geforscht wird sowohl an biokompatiblen Materialien als auch an neuartigen Einsatzmöglichkeiten der Supraleitung. Um dieser Kompetenz größeres Gewicht zu verleihen, wurde 1993 der Materialforschungsverbund Dresden gegründet. Er ist eine freiwillige Vereinigung von 10 Instituten der Technischen Universität Dresden und 10 außeruniversitären Forschungseinrichtungen, die auf dem Gebiet der Material und Werkstoffwissenschaften tätig sind (darunter Institute der Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz sowie der Fraunhofer und der Max Planck Gesellschaft). Er dient der gemeinsamen Forschung, fördert die Zusammenarbeit in Verbundprojekten, bei Großinvestitionen sowie beim Transfer der Ergebnisse in die Praxis. Darüber hinaus führt der MFD die Institute auch in Fragen der internationalen material wissenschaftlichen Kooperation und in ihrem Bemühen um den wissenschaftlichen Nachwuchs zusammen. Und nicht zuletzt soll er die Öffentlichkeit über herausragende Vorhaben und Ergebnisse der Dresdner Materialforschung informieren. Materialwissenschaftliche Forschung befasst sich mit der Aufklärung der Zusammenhänge zwischen Stöchiometrie, Struktur, Synthese und Gebrauchseigenschaften von Werkstoffen sowie mit deren Herstellungstechnologie. Sie zielt auf die Synthese und Charakterisierung neuer Materialien, auf die Verbesserung konventioneller Werkstoffe, sowie auf die Entwicklung und Optimierung der entsprechenden Verfahren und Prozessabläufe. Neue Erkenntnisse in der Werkstoffentwicklung oder Verfahrenstechnik wirken sich häufig auf ganz unterschiedliche Technologiefelder aus, weil ein neuer Werkstoff in einer Vielzahl von Komponenten verarbeitet werden kann. Dabei ist die enge Verflechtung

2 von Forschung und Industrie eine wichtige Voraussetzung, um marktfähige Produkte und Verfahren entwickeln zu können. Diese wiederum sind von außerordentlicher Bedeutung für die Leistungs und Wettbewerbsfähigkeit der Wirtschaft, für Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit sowie für die Erhöhung der Lebensqualität im allgemeinen. Wer sich Spitzenergebnisse der Dresdner Materialforschung direkt anschauen wollte, konnte das in diesem Jahr an verschiedenen Stellen der Stadt tun. Über 40 Exponate präsentiert die erste Sonderausstellung des MFD, die u.a. im World Trade Center, in der Goldenen Pforte des Rathauses, im neuen Teminal auf dem Flughafen Dresden und auf der Industriefachmesse IFM 2001 in Dresden zu sehen war. Gezeigt wurden u.a. metallische Hohlkugel Strukturen, biokompatibler Knochenersatz, ein Langzeitspeicher Chip für die Mobilkommunikation oder ein neuer ph Sensor für die Futtermittel und Bodenanalytik. Auch eine nahezu unscheinbare Aluminium Oberfläche, die ebenso Schmutz abweisend ist wie die Blätter der Lotos Blume, gehört dazu (siehe Abbildung unten). Wassertropfen auf einer ultrahydrophob modifizierten Aluminiumoberfläche Foto: Institut für Polymerforschung Im Dezember "wandert" die Ausstellung dann ins Hörsaalzentrum der TU Dresden, um dort eine neue Ringvorlesung zu begleiten, die der MFD zusammen mit der Universität für das STUDIUM GENERALE und die Dresdner Bürgeruniversität organisiert hat. Sieben Vorträge in 14 täglichem Abstand sollen moderne materialwissenschaftliche Themen, die in den TU Mitgliedsinstituten und besonders in den außeruniversitären Forschungseinrichtungen bearbeitet werden, auf anschauliche Weise präsentieren. Vorlesungsbeginn: 10. Oktober Zum Materialforschungsverbund Dresden gehören folgende Institute: Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz: Institut für Festkörper und Werkstoffforschung Dresden e.v. (IFW), Institut für Polymerforschung Dresden e.v. (IPF), Forschungszentrum Rossendorf e.v. (FZR) mit dem Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung sowie dem Institut für Sicherheitsforschung Fraunhofer Gesellschaft: Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS), Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik (IWS), Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM) Außenstelle Pulvermetallurgie und Verbundwerkstoffe Dresden, Fraunhofer Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren Außenstelle für Akustische Diagnose und Qualitätssicherung (EADQ) Max Planck Gesellschaft: Max Planck Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) ForschungsGmbH: IMA Materialforschung und Anwendungstechnik Dresden GmbH TU Dresden:

3 Institut für Werkstoffwissenschaft (IfWW), Institut für Makromolekulare Chemie und Textilchemie (IMCT), Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie (IPEC), Institut für Textil und Bekleidungstechnik (ITB), Institut für Halbleiter und Mikrosystemtechnik (IHM), Institut für Produktionstechnik (IPT), Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), Institut für Physikalische Metallkunde (IPMK), Institut für Angewandte Physik und Didaktik der Physik (IAPD), Institut für Kristallographie und Festkörperphysik (IKFP) Dämmstoffstrukturen und textile Bewehrungen Entwicklung neuartiger Dämmstoffstrukturen für vielfältige An wendungen In Zusammenarbeit mit der ASGLAWO GmbH, Freiberg und der Staatlichen Universität für Technologie und Design, St. Petersburg (RU) werden am Institut für Textil und Bekleidungstechnik der TU Dresden neuartige Dämmstoffstrukturen entwickelt. Wir danken dem BMBF für die finanzielle Förderung des Forschungsvorhabens (BMBF 01 RP 9705), dem Projektträger der DLR sowie den Industriepartnern für die fachliche Unterstützung. Die für die Wärmedämmung notwendigen Gaseinschlüsse werden durch schichtbildende Membranen, die senkrecht zum Wärmestrom stehen, erzeugt. Die Abstandshalter in Form von nahezu senkrecht stehenden Distanzfasern werden mittels elektrostatischer Beflockung appliziert. Nach dem Stapeln mehrerer beflockter Membranen wird der Dämmstoff anforderungsgerecht konfektioniert. Durch die gezielte Variation der Strukturparameter, wie Faserlänge, Faserfeinheit, Faseranzahl sowohl Emissionsgrad und Flächenmasse der Membranen, kann die Zielstellung Entwicklung eines Wärmedämmstoffes mit geringer Wärmeleitfähigkeit und Dichte und hoher Flexibilität für vielfältige Anwendungen erfüllt werden. Auf der Laboranlage des Institutes werden verschiedenste Muster mit variablen Strukturen hergestellt.

4 Demnächst wird für die kontinuierliche Herstellung des Dämmstoffes eine Pilotanlage bei der Firma ASGLAWO GmbH in Betrieb genommen. Diese Beflockungsanlage verfügt über folgende technische Parameter: Arbeitsbreite bis 1,60 m; Hochspannung bis 100 kv; Arbeitsgeschwindigkeit 1 bis 10 m / min, Länge ca. 30 m und Breite ca. 3 m. Aus der Vielzahl möglicher Einsatzgebiete werden aus dem Bekleidungsbereich die Feuerwehrschutzkleidung und die Kälteschutzkleidung (KSK) ausgewählt. Aus dem technischen Anwendungsbereich stellen Hitzeschilde für den Automobilbereich Zielprodukte für einen Einsatz des SIFD dar. Beispielhaft werden abschließend Ergebnisse zum Einsatz des SIFD innerhalb der KSK vorgestellt. Als Trägermaterial kann kupfer oder silberbeschichtetes Polyamid (PA) Gewebe verwendet werden. Im Diagramm erfolgt ein Vergleich einer Standardvariante mit ausgewählten SIFD Aufbauten. Legende: SIFD KSK 1 Membran: PA Gewebe, versilbert Faser: PA Flock; 3 mm; 22 dtex Deckungsgrad: 3,62 % SIFD KSK 2 Membran: PA Gewebe, versilbert Faser: PA Flock; 3 mm; 22 dtex Deckungsgrad: 5,00 % Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die ausgewählten Strukturen des SIFD eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und Dichte besitzen. Für die weitere Projektlaufzeit sind noch umfangreiche Forschungsarbeiten wie z.b. produktspezifische Versuche und Gestaltung reproduzierbarer Produktbeispiele und abschließende Prüfungen vorgesehen. Im Rahmen eines AiF Projektes werden Untersuchungen zum Einsatz beflockter Flächen für den Schallschutz in Fahrzeugen durchgeführt. Betonmastsanierung mit mehraxialen Gelegen aus alkaliresistentem Glas Textile Bewehrungen für Beton eignen sich nicht nur zur Herstellung von Fertigteilen, sondern können auch vor Ort zur Erhaltung, Instandsetzung, Ertüchtigung und Erhöhung der Tragfähigkeit alter Bausubstanz nutzbringend eingesetzt werden. Ein praktisches Beispiel wird mit der Verstärkung von Spannbetonmasten gezeigt, die an der TU Dresden im Rahmen des AiF Projektes B untersucht wurde. Ein großer Teil der installierten Stahl und Spannbetonmasten zeigt nach Standzeiten von mehreren Jahrzehnten Schäden, die als reparabel eingeschätzt werden. Weniger problematisch sind hierbei Längsrisse, während die Beseitigung von Torsionsschäden an den Mastzöpfen höhere Anforderungen an das Sanierungsverfahren stellen. Im Gegensatz zu bekannten Konservierungs und Sanierungsverfahren zielt das an der TU Dresden entwickelte Konzept von vornherein auf eine nachträgliche Erhöhung des Tragwiderstandes der Masten ab. Die Wiederherstellung der Stabilität wird mit dem Aufbringen eines Mantels aus textilbewehrtem Beton über die gesamte Mastlänge erreicht.

5 Bei der verwendeten Feinbetonrezeptur handelt es sich um einen "Glasfaserbeton der zweiten Generation". Der damit verbundene Einsatz von Microsilica wirkt sich auch in Hinblick auf das Spritz bzw. Sprühverhalten vorteilhaft aus. Die Ausführung der Bewehrung, mit der die Verstärkung der Masten auf Torsion und Biegung verwirklicht werden soll, erfolgt mittels multiaxialer Nähwirktechnik. Das multiaxiale nähgewirkte Gelege aus alkaliresistentem Glas (AR Glas) ist so ausgelegt, dass alle auftretenden Zugspannungsrichtungen in einem Betonmast mit Kreisringquerschnitt gleichermaßen abgedeckt werden. Die Aufbringung der textilen Bewehrung erfolgt mehrlagig im Nass Nass Verfahren. Aufringen eines multiaxialen nähgewirkten Geleges aus AR Glasfilamentgarnen Die erzielte höhere Belastbarkeit wird durch Tragfähigkeitsversuche an den nicht vorgeschädigten unverstärkten und verstärkten Originalmasten bzw. Mastfragmenten nachgewiesen. Die erhöhte Tragfähigkeit ist dabei von der angewendeten Applikationstechnologie abhängig. So erweist sich die "Tapeziertechnik" als vorteilhaft. Die Biegeversuche ergeben mit einer dreilagigen Tapezierverstärkung bei einer Schichtdicke von insgesamt 1 cm eine Tragfähigkeitserhöhung von etwa 30 %. In den Torsionsversuchen wird mit der gleichen Verstärkung eine maximale Laststeigerung von ca. 60 % erreicht. Bei den Biegeversuchen ist neben der Erhöhung der Tragfähigkeit auch eine Verbesserung des Verformungsverhaltens festzustellen. Als ein weiteres Resultat der Forschungsarbeiten ist der Ansatz für ein Bemessungskonzept und der darin vorgeschlagene Teilsicherheitsfaktor für textilbewehrten Beton zu werten. Die am Beispiel der Masten demonstrierte Verstärkung bietet auch aus wirtschaftlicher Sicht eine alternative Sanierungsmöglichkeit zur langfristigen Erhaltung von vorhandener Bausubstanz. Die einfache Anwendung der entwickelten textilen Bewehrung für gekrümmte Bauteile sowie für gerade Elemente mit verschiedenen Belastungsrichtungen, aber auch die sich daraus ergebenden perspektivischen Einsatzmöglichkeiten für neue Bauteile bestätigen die Erwartungen an den neuartigen Baustoff Textilbeton.

6 Querschnitt eines nachträglich verstärkten Spannbetonmastes (Verstärkungsschichtdicke 10 mm) Stärkegebundene Dämmstoffe und Verpackungsformkörper Stärkegebundene plattenförmige Dämmstoffe aus Holz und Einjahrespflanzenfaserstoffen Im Zusammenhang mit den Forderungen nach rationellem Umgang mit Energie und der Schonung fossiler Ressourcen gewinnt die Entwicklung und Bereitstellung ökologischer und ökonomisch effektiver Dämmstoffe und Verpackungsformkörper zunehmend an Bedeutung.

7 Heute vordergründig eingesetzte Dämmstoffe und Verpackungsmaterialien sind diesbezüglich in Kritik geraten. Vielfach wird bei diesen Materialien der ökologischen Komponente zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Gemessen wird hauptsächlich am Preis und an den physikalisch mechanischen Eigenschaften; die ökologischen Folgekosten werden in der Regel außer Acht gelassen. Am Institut für Holz und Papiertechnik wurden und werden Entwicklungsarbeiten zur Herstellung alternativer Dämmstoffe sowohl im Bereich der Wärme als auch der Trittschalldämmung und im Bereich der Verpackungsformkörper durchgeführt. Als Strukturbildner dienen dabei lignocellulose Fasersortimente aus Holz und einheimischen Einjahrespflanzen wie Getreidestroh sowie Hanf und Flachsstroh, aber auch im Rahmen internationaler Zusammenarbeiten solch exotische Fasersortimente wie Bambus, Melaleuca, Reisschalen, Reisstroh und Bagasse. Als Bindemittel für die hergestellten Dämmstoffe und Verpackungsformkörper dienen überwiegend Stärke in nativer Form und in ihren unterschiedlichen Modifizierungen. Für die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung stärkegebundener Werkstoffe galten folgende Prämissen: Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der wesentlichen stofflich strukturellen und verfahrenstechnischen Parameter Variabilität und Anpassbarkeit an sich notwendig machende stoffliche und erzeugnisseitige Modifikationen Nutzbarkeit bekannter und verfügbarer Verfahren und Anlagentechnik Zur Plattenherstellung wird das Trockenverfahren benutzt. Die Zugabe des Bindemittels Stärke erfolgt sowohl in Pulverform als auch in Form einer Suspension, wodurch ein größeres Volumen an faserumhüllender Klebstoffsubstanz bereitgestellt werden kann. Folgende Erkenntnisse konnten gewonnen werden: Dämmplatten mit hohen Druckfestigkeiten bei gleichzeitig niedrigen Dichten ab 100 kg / m3 aufwärts sind herstellbar. Die Wärmedämmwerte für die nach deutscher Norm angestrebte Wärmeleitfähigkeitsgruppe WLG 45 werden erreicht. Die ermittelten Werte für die Wasserdampfdiffusion liegen in den Bereichen von aus pflanzlichen Faserstoffen hergestellten Dämmplatten. Hergestellte Verpackungen für Weinflaschen bestanden die Postfallprüfung. Die Zielstellung, biologisch abbaubare Dämmstoffe mit guten Dämm und Festigkeitswerten sowie Verpackungsformkörper umweltfreundlich herzustellen, erscheint auf Grund der vorliegenden erfolgversprechenden Arbeitsergebnisse realisierbar. Um die vorhersehbaren guten Verwertungschancen zu nutzen, werden zum gegenwärtigen Zeitpunkt Industriepartner aus dem Bereich der KMU zum Bau einer Pilotanlage gesucht. Eine schutzrechtliche Anmeldung ist erfolgt. Stärkegebundene Formteile aus Holzfaser und Einjahrespflanzenfaserstoffen

8 Verpackung für den Versand von Weinflaschen Förderung durch: Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, vertreten durch die Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe Sächsische Aufbaubank Projektpartner: Glunz AG, Göttingen Ingenieurbüro für Verpackung Dresden Kunststoffe aus Kartoffeln, Recyclingmaterial bis Hightech-Mikroelektronik Neue polymere Materialien als Isolatorschichten in mikroelektronischen Bauteilen

9 Das Institut für Polymerforschung Dresden e.v. (IPF) beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer und der Modifizierung und Verbesserung bekannter polymerer Werkstoffe. Dabei stehen insbesondere die Eigenschaften der Grenzschicht beziehungsweise der Oberfläche der Materialien im Vordergrund. Bei vielen Anwendungen von Werkstoffen müssen gerade die Wechselwirkungen an der Oberfläche oder zwischen zwei Werkstoffklassen berücksichtigt werden. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die Anwendung polymerer Werkstoffe in der Mikroelektronik, z.b. als Isolatorschichten zwischen den Leiterbahnen. Die Entwicklung in der Mikroelektronik hin zu immer schnelleren Computern und somit einer höheren Integration der mikroelektronischen Bauteile stellt hohe Anforderungen an die zu verwendenden Materialien. Als Isolator wurde bisher das anorganische Siliziumdioxid verwendet. Dieses hat aber mit ca. 4 eine zu hohe Dielektrizitätskonstante (DK), um eine weitere Verringerung des Abstandes der Leiterbahnen zu weniger als 170 nm bei sehr hohen Taktzeiten zu erlauben. Organische, polymere Materialien, die DK Werte kleiner 3 aufweisen, können aber nur eingesetzt werden, wenn sie in die Schichtaufbauten integrierbar sind und sehr gute Hafteigenschaften zu den metallischen und anorganischen Materialien des Schichtaufbaus z.b. in einer integrierten Schaltung zeigen. Weiterhin müssen eine ausreichende Thermostabilität (> 400 C), hohe Filmgüte, geringe Wasseraufnahme und eine Vielzahl weiterer Parameter gegeben sein. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Halbleiter und Mikrosystemtechnik der TU Dresden (Prof. Bartha) beschäftigt sich daher der Arbeitskreis von Frau Prof. Voit am IPF mit der Entwicklung von geeigneten polymeren Materialien für diese Anwendung. Abb. 1: Verzweigte Strukturen in der Polymerchemie: Sterne, Dendrimere, hochverzweigte Polymere Ein Schwerpunkt der synthetischen Arbeiten am IPF ist die Synthese von verzweigten Polymerarchitekturen, wie z.b. Sternpolymeren, Dendrimeren oder sogenannten hochverzweigten Polymeren (Abb. 1). Im Gegensatz zu linearen Polymeren, die üblicherweise bei den polymeren Werkstoffen wie beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), oder auch Polyethylenterephthalat (PET) zum Einsatz kommen, erlaubt es bei diesen Polymeren ihre Verzweigung, die Moleküldimension und form, aber auch die Funktionalität und das Viskositätsverhalten genau einzustellen. Solche Polymere sind unter anderem in Lacken und Beschichtungen, als Additive für konventionelle polymere Werkstoffe, aber auch als Funktionspolymere in medizinischen Anwendungen von hohem Interesse. Abb. 2: Erzeugung von nanoporösen Polymermaterialien unter Nutzung von hochverzweigten (hvz) Templatstrukturen als labile Komponente

10 Eine spezielle Eigenschaft der Dendrimere und der hochverzweigten Polymere ist ihre globulare Form, welche man für eine Templat Struktur nutzen könnte. Konkret ist es denkbar, thermisch oder photochemisch abbaubare hochverzweigte Polymere als labile Komponente in eine stabile Polymermatrix einzubinden. Bei homogener Verteilung liegt dann das hochverzweigte Molekül als globulare Einheit im nm Bereich in der Matrix vor. Anschließender Abbau des hochverzweigten Polymers unter Bedingungen, bei denen die Matrix intakt bleibt, führt dann zur Bildung eines nanoporösen Materials (Abb. 2). Die Herstellung von temperaturstabilen, porösen Polymeren, die aufgrund des Lufteinschlusses in den Poren DK Werte deutlich unter 2,5 erreichen können und somit ideal als Isolatormaterial in integrierten Schaltungen sind, gehört zu den aktuellsten Gebieten der Materialforschung für die Mikroelektronik. Abb. 3: Metall Isolator Metall Schichtstruktur Abb. 4: MIM Schicht system aus vernetztem DVS BCB als Isolator, er = 2.7

11 Abb. 5: Über reaktives Ionenätzen strukturiertes DVC BCB Die Auswahl eines geeigneten Matrixmaterials ist dabei sehr wichtig. Bisher liegen aber noch relativ wenig Erfahrungen bei der Integration von organischen Polymerschichten in einem in der Mikroelektronik relevanten Schichtaufbau vor. Wichtig ist eine relativ hohe Temperaturstabilität, aber auch, dass sich die polymere Schicht strukturieren lässt. Im Arbeitskreis von Prof. Bartha am Institut für Halbleiter und Mikrosystemtechnik der TU Dresden wurden erste Erfahrungen dazu an DVS BCB (Divinylsiloxan bis(benzocyclobuten) gesammelt, einem Präpolymer, das über Cycloadditionsreaktionen thermisch in der Schicht vernetzt wird. Dieses Polymer kann in einen sogenannten Metall Isolator Metall Aufbau (Abb. 3 und 4) integriert werden, an dem die Dielektrizitätskonstante unter den in der integrierten Schaltung relevanten Bedingungen ermittelt werden kann. Auch eine lithographische Strukturierung (Abb. 5) mittels Ätztechniken nach Abscheidung einer Aluminium Schicht übersteht der vernetzte Polymerfilm unbeschadet. Die Messung an diesem Aufbau ergibt für das DVS BCB Polymer bereits eine relativ niedrige DK von 2,7. In Zusammenarbeit der beiden Arbeitsgruppen wurde nun ein labiler hochverzweigter Polytriazenester, der sich thermisch bei ca. 160 C zersetzt, in DVS BCB als Matrix eingebunden und anschließend die Matrix thermisch bei gleichzeitiger Zersetzung der hochverzweigten Komponenten vernetzt. Die Schichtqualität war weiterhin ausreichend, so dass Dielektrizitätskonstanten gemessen werden konnten. In einem ersten Versuch kam es zu einer weiteren Absenkung der DK um ca. 18 %, was auf eine erfolgreiche Ausbildung von Nanoporen hinweist. Durchbruchspannung und Wasseraufnahme des Films waren dabei weiterhin in der Größenordnung des reinen DVS BCB. Diese Ergebnisse sind sehr vielversprechend und zeigen, dass das Konzept von nanoporösen organischen Polymeren als Isolatorschichten für Mikroelektronikschichtverbunde durchaus tragfähig ist und die Basis für zukünftige Entwicklungen in der Chipproduktion bilden kann. Die hier vorgestellten Ergebnisse zur Materialforschung konnten durch Forschungsförderung im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 287 an der TU Dresden und aus Landesmitteln (SMWK) in Doktorarbeiten (M. Eigner, K. Estel) erarbeitet werden. FARU Ideenreich für effektiven Umweltschutz Die FARU GmbH besitzt langjährige Erfahrungen bei der Entwicklung von Technologien und Materialien zum Recycling von Polymeren. In den letzten Jahren wurde die großtechnische Umsetzung des REVULCON Verfahrens, einer Methode zur mechanischen und damit umweltfreundlichen Devulkanisierung von Altgummi, erfolgreich realisiert. Das ELAPLASTEN Verfahren ist eine weitere innovative Technologie, die gegenwärtig durch die FARU GmbH in die industrielle Produktion überführt wird. Es handelt sich dabei um die Herstellung von Elastomerlegierungen aus Altreifenmehl und Thermoplasten. Während es sich bei den Ausgangsstoffen für die ELAPLASTEN Produktion zu

12 einem hohen Prozentsatz um Abfallstoffe handelt, gelingt es durch eine ganz spezielle Technologie mittels dynamischer Stabilisierung, einen hochwertigen Werkstoff zu erzeugen. In diesem Material werden die exzellenten Eigenschaften des Gummis mit der hervorragenden Verarbeitbarkeit der Kunststoffe kombiniert. Die Methode stellt ein werkstoffliches Recycling auf höchstem Niveau dar. Produktionsabfälle können dem Originalcompound beigemischt werden, ohne die Eigenschaften des Endproduktes zu beeinträchtigen. Scheibe Als Ausgangsstoffe eignen sich alle Arten von Altreifenmehlen nach Abscheidung von Metall oder Textilbestandteilen, sowie ausgewählte technische Gummiabfälle, auch mit großen Teilchendurchmessern. Gegenüber herkömmlichen thermoplastischen Elastomeren besitzen die nach dem ELAPLASTEN Verfahren hergestellten Elastomerlegierungen mindestens drei wesentliche Vorzüge: 1. Bei vergleichbaren Materialeigenschaften beträgt der Preis des neuen Sekundärrohstoffes nur etwa ein Drittel des Preises marktüblicher TPE s. 2. Durch spezielle Zusatzstoffe lassen sich die Eigenschaften der ELAPLASTEN Werkstoffe für eine Vielzahl von Anwendungsfällen optimieren. 3. Aus ökologischer Sicht ist besonders die konsequente Verwertung von Abfallstoffen hervorzuheben. Die Technologie gestattet es, einen signifikanten Beitrag zur Realisierung der Altauto Verordnung zu leisten. Produkte, die nach dem ELAPLASTEN Verfahren hergestellt wurden, sind ohne Qualitätsbeeinträchtigung jederzeit wieder rezyklierbar. ELAPLASTEN Material eignet sich zum Spritzgießen und lässt sich zu komplizierten technischen Formteilen verarbeiten. Aufgrund seiner hohen Resistenz gegenüber Schlag und Stoßbelastungen, die auch bei niedrigen Temperaturen erhalten bleibt, finden sich insbesondere im Automobilbau und Bauwesen aber auch in der Kabel und Dichtungsindustrie zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Das ELAPLASTEN Verfahren wurde am Lehrstuhl Kunststoffverarbeitungstechnik an der TU Chemnitz entwickelt und patentiert. Die FARU GmbH ist Inhaberin der weltweiten, exklusiven Lizenzrechte für diese Technologie und arbeitet gegenwärtig gemeinsam mit der TU Chemnitz im Rahmen einer Forschungskooperation an der weiteren Optimierung und industriellen Umsetzung dieses Verfahrens.

13 Lüfter Geschäftsbereiche: Umweltanaytik / Altlastenerkundung Kunststoff und Gummirecycling Software Engineering / Umweltmeßtechnik Kunststoff aus Kartoffeln Angesichts der ökologischen Probleme, die Produktion und Entsorgung von Kunststoffen verursachten, wurde vor etwa 10 Jahren die Entwicklung biologisch abbaubarer Kunststoffe (BAW) forciert. Mit der Zielstellung, einen biologisch abbaubaren Kunststoff zu entwickeln und zu produzieren, der vollständig biologisch abbaubar ist, begann die Arbeit der BIOP Biopolymer GmbH im Sommer 1996 im Technologiezentrum Dresden. Das Produkt der Forschungsarbeit ist ein aus Kartoffelstärke bestehendes Kunststoffgranulat, BIOPar, das sich auf herkömmlichen Maschinen thermoplastisch zu Formkörpern und Folien verarbeiten lässt. blühende Kartoffelpflanze

14 Die Anwendung der reinen thermoplastischen Stärke als Werkstoff wird durch ihre außerordentlich starke Hydrophilie verhindert. Deshalb erfordert die Herstellung eines thermoplastischen Werkstoffes auf der Basis von Stärke deren Modifizierungen mit dem Ziel, den Werkstoff wasserbeständig und unempfindlicher gegen Feuchtigkeit zu machen. Ein möglicher Weg, Wasserformbeständigkeiten einzustellen und die Verarbeitbarkeit der Stärke zu verbessern, aber auch die biologische Abbaubarkeit zu erhalten, ist die Herstellung von Polymermischungen mit einem wasserbeständigen Polymer. Ein Problem dabei ist die mangelnde Kompatibilität der hydrophilen Stärke und der hydrophoben synthetischen Polymere. BIOP ist die Lösung gelungen durch Entwicklung eines speziellen Verträglichkeitsvermittlers der eine bikontinuierliche Phasenstruktur aufbaut, die den Vorteil hat, dass die hydrophoben Eigenschaften der synthetischen Polymerkomponente auch bei einem geringen Anteil an der Gesamtmischung auf den Werkstoff insgesamt übertragen werden. Gleichzeitig bleiben auch die "guten Eigenschaften" der thermoplastischen Stärke, wie hohe mechanische Festigkeit, geringe Sauerstoffpermeabilität und schnelle biologische Abbaubarkeit erhalten. Die forschungsintensive Entwicklung der BIOPar Werkstoffe wurde in fünf angemeldeten und zwei erteilten Patenten geschützt. Zu einer neuen Generation von BAWs gehören die nanoskopischen Compositmaterialien. Derzeit beteiligt sich BIOP an einem EU Projekt zur Entwicklung von Lebensmittelverpackungsfolien. Bei minimalen Einsatz synthetischer Kunststoffe werden neuartigen Materialien auf der Basis von thermoplastischer Stärke und mineralischen Schichtsilikaten entwickelt. Der Vorteil der biologischen Abaubarkeit bleibt bei einer sehr geringen Permeabiltät gegenüber Sauerstoff erhalten. Die feinverteilten Silikatblättchen führen zu einer drastischen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Steifigkeit). Eine wesentliche Eigenschaft des BIOPar ist die vollständige biologische Abbaubarkeit dieses Materials, die in Komposttests und in einem Praxisversuch in einer kommunalen Kompostieranlage bewiesen wurde. Die Schnelligkeit des Abbaus kann eingestellt werden. Die DIN V schreibt vor, dass innerhalb von 180 Tagen 90 % eines Stoffgemisches (z.b. eines Blends) zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut sein müssen. Im Praxisversuch im Kompostierwerk in Dresden Kaditz ergab sich, dass das Material bereits nach zwei Wochen in der Intensivrotte praktisch nicht mehr auffindbar war. Der Abbau im Boden verläuft unterschiedlich schnell in Abhängigkeit der Bodenverhältnisse, Temperatur und Feuchte. Der Preis für das BIOPar Kunststoffgranulat, welches zur Zeit in Lohnproduktion hergestellt wird, beträgt derzeit 5,70 DM / kg. Er wird langfristig auf weniger als 5 DM / kg sinken nach Inbetriebnahme der eigenen Produktionsanlage, welche zur Herstellung von t / a konzipiert ist. Es besteht ein Investitionsbedarf von 20 Millionen DM, gegenwärtig werden dafür Kapitalgeber gesucht. BIOP bietet zur Zeit zwei grundsätzliche Typen BIOPar Granulat an, eine zur Herstellung von Formkörpern durch Spritzgießen und eine zum Blasen von Schlauchfolien. Die Anwendungsziele der Produkte aus BIOPar sind Bereiche, wo die biologische Abbaubarkeit einen Vorteil in der

15 Verwendung darstellt, zum Beispiel in der Land und Forstwirtschaft sowie im Gartenbau und dort, wo der Kunststoff stark mit organischem Abfall vermengt ist, so dass eine Trennung und herkömmliches Kunstoffrecycling nicht sinnvoll sind. Auch im Catering und Verpackungs Bereich besteht eine großes Potential für den Absatz. Aus den Folien können Tragetaschen, Biomüllbeutel bzw. Netze und Bindegarne hergestellt werden Biokompatibilität und Nanotechnologie Proteine mit Edelmetallen garniert Nanotechnologie ist "trendy", ist "in", Biotechnologie auch. Bei der Kombination aus beiden Disziplinen denken viele gleich an Medizintechnik. Doch auch für andere Bereiche der Technik hat diese Kombination viel zu bieten. So sieht z.b. das Rezept zum Bau einer neuen Generation von Katalysatoren aus: Man nehme geeignete Bakterien, schäle ihnen die Haut ab und löse sie in ihre Einzelbestandteile (Proteine) auf. Diese lasse man auf einer Oberfläche wieder zu einer streng regelmäßigen Struktur im Nanometermaßstab "selbstorganisieren". Aus einer wässrigen Lösung wird das ganze schließlich mit Platinkügelchen garniert und bei Temperaturen von bis zu etwa 800 C serviert. Fertig ist der Bio Katalysator. Und die Vorteile gegenüber "altbackenen" Lösungen? Die biologische Nanostruktur, das "Gerüst der Konstruktion" verhindert oder erschwert ein Zusammenwachsen der nur wenige Nanometer kleinen Platincluster. Damit bleibt bei geringen Mengen des Edelmetalls eine große Oberfläche auch bei erhöhten Temperaturen erhalten. Es wird also der Wirkungsgrad erhöht und Platin gespart. Natürlich gibt es noch viele weitere interessante Rezepte unter dem Titel "Abscheidung von Metallen auf biologische Nanostrukturen aus wässrigen Lösungen". Sie stammen aus dem "Nanokochbuch" der Arbeitsgruppe von Prof. Pompe (TU Dresden, Institut für Werkstoffwissenschaft) und werden von der BoneMaster GmbH zubereitet, angepasst und serviert. Im Ergebnis finden sich immer wieder besondere Merkmale: Verbesserte Eigenschaften durch regelmäßige Nanostrukturierung, Einsparung teurer Edelmetalle, Kostengünstige Herstellung, auch in Massenproduktion und unter umweltfreundlichen Bedingungen. Der Hintergrund dieser durchaus vorteilhaften Zubereitung hat beinahe philosophischen Charakter: Während sich die klassische Hochtechnologie auf eine immer raffiniertere und meist aufwendigere Bearbeitung relativ einfacher Werkstoffe spezialisiert, steckt hier die "Intelligenz" im Material, die von der Natur durch die Evolution hervorgebracht worden ist. Komplexe Biomoleküle ordnen sich selbst auf Oberflächen zu regelmäßigen Strukturen, die dann allseitig mit Metallen beschichtet werden. Statt in die Nanowelt mit immer höheren Energien und extremen Umgebungsbedingungen vorzustoßen, wird hier sprichwörtlich mit Wasser gekocht, und zwar bei niedrigen Temperaturen und unter Umgebungsbedingungen, die sich mit chemischer Verfahrenstechnik einfach und kostengünstig verwirklichen lassen.

16 Modell einer Katalysatoroberfläche mit Platinclustern, die durch ein regelmäßiges Gerüst aus S Layerproteinen voneinander getrennt werden. Rechts: Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines metallisierten S Layers (TU Dresden, Institut für Werkstoffwissenschaft) Die Entwicklung biokompatibler Werkstoffe Synthese aus Materialforschung und Zellkulturtechnik Im Zuge der zunehmenden Biotechnisierung kommt dem Umgang mit lebenden Zellen unter Laborbedingungen eine immer größere Bedeutung zu. Ohne die Zellkultur, die in der Biomedizin und in der Pharmazie bereits seit vielen Jahren erfolgreich praktiziert wird, hätten viele gentechnische Methoden nicht entwickelt werden können. Aufgrund der Vernetzung von bisher eigenständigen Forschungsrichtungen wie Medizin, Chemie, Physik, Pharmazie und Ökologie mit den Teildisziplinen der Biologie hat sich die Zell und Gewebekultur stark verbreitet. Mit dem Einsatz dieser Technologie in der eher "anorganischen" Materialforschung wurde ein weiterer Grenzbereich für die interdisziplinäre Grundlagenforschung erschlossen. Die Materialforschung beschäftigt sich längst nicht mehr nur mit der Entwicklung neuartiger Gebrauchsmaterialien. Werkstoffe werden auch zu Medizinalprodukten verarbeitet und dienen somit sowohl der Gesundheitsvorsorge als auch der Therapie. Die Palette reicht von Zahn und Knochenimplantaten, künstlichen Gelenken, Augenlinsen, Bandscheiben und Blutgefäßen bis hin zu Luftröhrenprothesen u.v.m. Um besonders günstige Bedingungen für das Einwachsen von Implantaten zu schaffen, muss der neue Werkstoff biokompatibel, d.h. gewebeverträglich sein. Hier steht vor allem der Grenzflächenbereich zwischen Material und Gewebe im Mittelpunkt intensiver, weltweiter Forschungsanstrengungen. Es müssen Implantatwerkstoffe entwickelt werden, die in ihrem Aufbau biologische Strukturen nachbilden (Biomimetik). Um ein in seinen Eigenschaften möglichst ähnliches künstliches System aufbauen zu können, müssen die Eigenschaften des natürlichen Vorbildes zunächst experimentell erfasst werden. Damit z.b. die mechanischen Funktionen von Dental und Knochenimplantaten optimal auf die jeweiligen Beanspruchungen ausgerichtet werden können, muss der Einfluß von nano und mikrostrukturierten Oberflächen auf das Festsetzen, Vermehren und Einwachsen von Knochenzellen (Zelladsorption) genau untersucht werden. Auch bei der Entwicklung künstlicher Blutgefäße entscheidet die Wechselwirkung der Implantatsoberfläche mit der physiologischen Umgebung (Hämokompatibilität) über die Gebrauchstauglichkeit des Werkstoffes. Es kommt jedoch nicht nur darauf an, dass der Werkstoff vom Organismus akzeptiert wird, sondern dass die Wundheilung gefördert und Infektionen unterdrückt werden. Zudem rufen manche Implantate bei den Patienten vielfach undefinierte Unverträglichkeiten bis hin zur Nekrose hervor. Der Einfluss von Implantatwerkstoffen und deren Oberflächenstruktur auf das Besiedelungs und Wachstumsverhalten von Zellen wird mit Hilfe von Testsystemen in vitro, d.h. unter Einsatz von Zellkulturen gemessen. Die Zell und Gewebekultur stellt somit außer im biomedizinischen und pharmazeutischen Bereich auch auf diesem zukunftsträchtigen Gebiet ein unverzichtbares Instrument in Forschung und Entwicklung dar. ProCellula hat sich die Förderung des anwendungsorientierten Erwerbs von Wissen und Können auf dem Gebiet der Zell und Gewebekulturtechnik durch Aufbereitung von Ergebnissen der Grundlagenforschung im Bereich Zellbiologie und deren Verknüpfung mit industrieller Nutzung zur Aufgabe gemacht. Ein praxisnahes und unternehmensbezogenes System aus Workshops, Seminaren und Praktika identifiziert den Bildungsbedarf der Anwender von Zellkulturtechnik in Forschung, Lehre und Industrie. Das Bildungsangebot ist Ausgangspunkt für die Gestaltung spezifisch auf die jeweiligen Anwenderprobleme zugeschnittener Module für zellkulturtechnische Arbeiten, in denen theoretische Grundlagen mit praktischer Laborarbeit verbunden werden. Da dem Qualitätsmanagement aus Wettbewerbsgründen immer mehr Beachtung geschenkt wird, werden die für die Unternehmen aus der Biotechnologie und Pharmabranche wichtigen EU Leitlinien der Guten Herstellungspraxis (GMP) berücksichtigt. Die Kundenberatung bei der praktischen Umsetzung des Gelernten (coaching) sichert die weitere Identifizierung konkreter Anwendungsfälle. Im Rahmen von Projektkooperationen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie beteiligt sich ProCellula kontinuierlich an der Durchführung anwenderorientierter Forschungs und Entwicklungsarbeiten. Vor allem die dreidimensionale Zellkultur sowie die Kultivierung von Zellen und Gewebe in perfundierten Systemen stehen hier im Vordergrund.

17 Schematische Darstellung einer dreidimensionalen Zellkultur (Sphäroid) bestehend aus Epithelzellen aus den oberen Atemwegen (Nasopharynxgewebe) Ionenbehandlung von Gefäßstents erhöhen Blutkompatibilität und Röntgenkontrast Gefäßstents werden nach der Aufweitung eines arteriosklerotisch verengten Herzkranzgefäßes eingebracht und sollen den erneuten Verschluss des Gefäßes verhindern. Sie stellen einen der wesentlichen Fortschritte in der Kardiologie des letzten Jahrzehnts dar. Durch sie konnte die Zahl der teuren und belastenden Bypass Operation wesentlich gesenkt und die Aufenthaltsdauer der Patienten im Krankenhaus verkürzt werden. Trotz des heute millionenfachen Einsatzes dieser filigranen Metallgeflechte, werden von den anwendenden Ärzten noch eine Reihe von Verbesserungen gewünscht, die eine genaue Kenntnis der Körperreaktionen und eine Materialbehandlung mit modernen Methoden erfordern. Die Gefäßstents werden unter Röntgenkontrolle eingesetzt und auch radiologisch beurteilt. Die dünnen Stahl oder Nickel Titan Drähte, aus denen der Stent besteht, bieten nur einen unbefriedigenden Röntgenkontrast. Durch die Aufbringung einer einige Mikrometer (µm) dicken Schicht eines Metalls hoher Ordnungszahl kann der Röntgenkontrast der Drähte erhöht werden. Dabei bieten sich Metalle wie Tantal an, die ähnlich wie das aus der Orthopädie bekannte Titan eine sehr stabile Oxidschicht ausbilden und dadurch auch gut biokompatibel sind. Eine gute Haftung der Schicht auf dem Untergrund ist hier besonders wichtig, weil abgelöste Anteile der Schicht sonst mit dem arteriellen Blutstrom in das feinere Gefäßnetz der Herzmuskulatur transportiert werden und dort einen Verschluss herbeiführen würden. Die aufgebrachte Schicht darf keine inneren Spannungen aufweisen, die bei den erforderlichen Schichtdicken ansonsten zu Lamellierung sowie beim Aufweiten des Stents zur Rissbildung führen würden. Die Aufbringung dieser Schicht wird am Forschungszentrum Rossendorf durch Metallplasma Ionenimplantation und abscheidung erreicht, wobei die Haftfestigkeit durch eine Zwischenschicht vermittelt ist. Ein weiteres noch nicht befriedigend gelöstes Problem bei Gefäßstents ist die Aktivierung der Blutgerinnung und ein Wachstumsreiz auf die innerste Gefäßschicht. Diese beiden Reaktionen können zum Verschluss des Stents führen und sind eine der Ursachen, warum im Vergleich zur Bypass Operation noch häufig eine Nachbehandlung nötig ist. Auch hier ist Tantal ein gutes Metall für die Beschichtung, weil es mit der Oxidschicht eine sehr gute Blutverträglichkeit aufweist, die wie bei Titan durch die Implantation weiterer Ionen wie Phosphor, Stickstoff, Kalzium noch verbessert werden kann.

18 Gefäßstent aus Edelstahl zur biokompatiblen Beschichtung mit Tantal Niedrige (oben) und hohe (unten) Plättchenaktivierung auf verschieden behandelten Metalloxiden für den Blutkontakt

19 Organische Nano Schichten für den Korrosionsschutz Die Nanotechnologie stellt hinsichtlich ihres Anwendungspotenzials eine der wichtigsten Hochtechnologien des 21. Jahrhunderts dar. Auf der diesjährigen Hannover Messe fand z.b. eine Sonder Ausstellung "Nanoworld 2000" statt, es gibt ein Nano Kompetenz Zentrum in Dresden und viele angedachte und bereits verwirklichte Anwendungen. Die Dimension "Nano" bedeutet dabei ein Millionstel Millimeter, und alles was kleiner als ein Mikrometer ist, könnte zur Nanotechnologie dazu gehören. Wie hängen nun Korrosionsschutz und Nanotechnologie zusammen? In Kooperation mit der Chemetall GmbH, Frankfurt, und den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Martin Stratmann (Max Planck Institut für Eisenforschung, Düsseldorf) und von Prof. Dr. Ralf Feser (Fachhochschule Iserlohn) ist es gelungen, eine Nanotechnologie zum Korrosionsschutz von Aluminiumoberflächen zu entwickeln. Das Ziel war, die Chromatierung von Aluminium als Voraussetzung für die Lackhaftung und den Korrosionsschutz durch eine organische Schicht zu ersetzen. Aus ästhetischen Gründen und vor allem wegen des Korrosionsschutzes werden Metalloberflächen meist lackiert. Da auf den Oxidoberflächen Lack nicht gut haftet, werden die Metalle mit Chromsäure behandelt. Dabei werden die Dicke der vorhandenen Oxidschicht verringert, Partikel anderer Metalle eliminiert und eine neue gemischte Aluminium Chrom oxid Schicht gebildet. Das Ergebnis ist eine gegen Korrosion geschützte Aluminiumoberfläche und die Ausbildung einer Haftschicht für eine anschließende Lackierung. Der Chromatierungsprozess wird u.a. wegen der Umweltschädlichkeit der Chromverbindungen als ökologisches Problem angesehen. Alternative Methoden, die Zirkonium Salze, Fluoride, Phosphate oder Polymere verwenden, erreichen jedoch nicht die Qualität der Chromatbehandlung bezüglich der Adhäsion und des Korrosionsschutzes. Dem neuen Konzept liegt folgender Gedanke zugrunde: Zwischen Metall und Lack wird eine organische Haftvermittlerschicht aufgebaut, die einen chemischen Verbund sowohl zum Metall als auch zum Lack ermöglicht. Die Moleküle verfügen über eine spezielle Struktur und geeignete Haftgruppen, um eine Bindung zum Metall aufzubauen und sich in einer dünnen Schicht zu ordnen. Diese Selbstorganisation (engl: Self assembly) beruht auf zwischenmolekularen Wechselwirkungen der Moleküle. Das neue Verfahren ist relativ einfach durchzuführen. Die Aluminiumoberfläche wird zunächst von Verunreinigungen befreit und in die wässrige Haftvermittlerlösung eingetaucht (siehe Abbildung). Die Moleküle enthalten eine Phosphonsäuregruppe, die als Ankergruppe zum Metall wirkt. Sie adsorbieren sehr schnell und bedecken in Abhängigkeit von der Eintauchzeit die Oberfläche vollständig. Am anderen Ende der Moleküle sitzt eine lackreaktive Gruppe, die eine sehr gute Anbindung an eine Lackschicht ergibt. Auf diese Weise kann diese ultradünne Schicht durch die Lackschicht geschützt werden. Da die Nanoschicht

20 transparent ist, eignet sich diese Vorbehandlung insbesondere für Klarlacke. Sehr erfolgreich wird dieses System zur Zeit in der Beschichtung von Aluminiumfelgen eingesetzt. Andere Anwendungen wurden lacktechnisch überprüft und werden nach und nach in die Produktion eingeführt. Untersuchungen haben ergeben, dass diese Schicht, die etwa mal dünner als eine Chromatschicht ist, die Korrosionsschutzwerte der Chromatbehandlung ebenso erreicht und im Sinne der Lackhaftung bereits bessere Werte ergibt. Eine allgemeine Einführung dieser dünnen Schichten ist nicht für jeden Zweck geeignet, da die außerordentlich geringe Schichtdicke bei Verletzungen der Lackschicht keinen Langzeitkorrosionsschutz ergeben kann. Hierzu sind andere Lösungen in Bearbeitung. Technische Keramik Technische Keramik Werkstoffe mit hoher Innovation Technikum des Keramik Institutes Die Region Meißen ist seit rund 300 Jahren ein wichtiges deutsches und europäisches Zentrum der Forschung, Entwicklung und Produktion von "klassischen" Keramikwerkstoffen (Porzellan, Steingut, Vitreous China etc.) und so hatte auch das Keramik Institut Meißen bisher seine inhaltlichen Schwerpunkte bezüglich Forschung und Entwicklung vor allem in diesem Erzeugnis und Werkstoffbereich gesetzt.

21 Neben dem seit 1992 existierenden Verein zur Förderung von Innovationen in der Keramik e.v. wurde im Jahr 2000 die KI Keramik Institut GmbH Meißen gegründet. Sie hat sich die Aufgabe gestellt, in enger Kooperation mit dem Verein neben der klassischen Keramik auch einen leistungsfähigen Bereich Technische Keramik aufzubauen. Das Unternehmen wird mit der Entwicklung dieses Werkstoff und Produktbereiches zunehmend zum Partner von solchen Branchen wie dem Maschinenbau, Fahrzeugbau, der Kfz Zulieferindustrie, der Medizintechnik etc. werden. Man konzentriert sich zzt. auf konstruktive Anwendungen und auf oxidkeramische Werkstoffe, vor allem auf das relativ preisgünstige Aluminiumoxid. Al2O3 Kerne für ein Extruderwerkzeug und ein Al2O3 Tiegel Das aktuelle Angebot umfasst folgende Leistungen: Beratung zu Möglichkeiten des Keramikeinsatzes und Unterstützung bei der Werkstoffauswahl Anwendungsbezogene kundenspezifische Werkstoff und Produktentwicklung Herstellung von Mustern und Kleinserien nach Kundenzeichnung Mit der vorhandenen technischen Ausstattung ist die Herstellung folgender Produkte möglich (Beispiele): Kerne für Extruder Mundstücke Platten und Distanzstücke als Brennhilfsmittel in Hochtemperaturöfen Tiegel für verschiedene Schmelzen Schutzrohre bis zu einem Außendurchmesser von ca. 30 mm Düsen, z.b. Sandstrahldüsen Auskleidungen von Öfen, Behältern, Mühlen, Rohrleitungen usw. Das Unternehmen verfügt neben dem notwendigen Know how über moderne Aufbereitungs, Formgebungs, Trocknungs und Sinteranlagen sowie eine Laseranlage zur Oberflächenbearbeitung von Keramik. Es werden gezielt Kooperationsbeziehungen zu solchen Partnern aufgebaut, die das eigene Leistungsprofil bezüglich der Herstellung und Bearbeitung der Technischen Keramik ergänzen. Hierbei ist das mit Mitteln des Freistaates Sachsen und der EU geförderte Projekt "KompetenzZentrum Keramik" eine wichtige Hilfe. Werkstofftechnologien im Dienste des Leichtbaus Herstellen von stoffschlüssigen Mischverbindungen Neue Anforderung im Automobilbau Im modernen Fahrzeugbau besteht zunehmend die Aufgabe, Leichtbau über den gezielten Einsatz spezifischer Werkstoffe zu erzielen. Daraus ergibt sich die Forderung der rationellen Herstellung von stoffschlüssigen

22 Fügeverbindungen zwischen verschiedenen Metallen, wie z.b. Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Stahl. Beim Schweißen von Mischverbindungen aus Stahl, Aluminium bzw. Magnesiumlegierungen entstehen äußerst spröde intermetallische Phasen. Diese unerwünschten metallurgischen Reaktionen können durch die Verringerung der Fügetemperatur beim Löten mit Zink Basis Lot drastisch eingeschränkt werden, so dass ausreichende Festigkeits und Zähigkeitseigenschaften erreicht werden können. Grundvoraussetzung für die Herstellung einer qualitätsgerechten Lötverbindung sind die metallurgischen Wechselwirkungen zwischen dem Lot und den Grundwerkstoffen. Die festhaftenden Oxidschichten sind zu beseitigen. Warmpresslötverbindung aus AlMg0.4Si1.2 und DC04, Lot: ZnAl3 (auftragsgelötet) Für das Fügen von flächigen Mischverbindungen zwischen Stahl, Aluminium und Magnesiumlegierungen wurde der Warmpresslötprozess untersucht. Die Verbindung wird in zwei Stufen hergestellt. Zuerst werden die Fügeflächen mit dem Zink Basis Lot beschichtet und anschließend die Presslötverbindung durch Verpressen im beheizten Werkzeug hergestellt. Zum Aufbringen des Lotes auf den Grundwerkstoff eignet sich besonders das Plasmaauftragslöten. Im Plasmabogen wird die Oxidschicht von der Aluminium bzw. Magnesiumoberfläche beseitigt und damit direkter metallischer Kontakt zwischen Lot und Substrat erzeugt. Atmosphärisches Plasmaspritzen ist ebenfalls einsetzbar, mit der Einschränkung verminderter Verbindungsfestigkeit. Im Warmpresslötprozess werden beide Fügeteile in einem Presswerkzeug erwärmt und unter entsprechender Fügekraft gefügt. Die Löttemperatur ist dabei so einzustellen, dass das Lot teigig ist, das Schmelzen jedoch noch nicht eintritt. Mischverbindungen zwischen Aluminiumwerkstoffen des Systems AlMgSi und verzinktem Stahl sind mit dem Warmpresslöten sehr gut herstellbar. Bei einer Überlappungslänge von 20 mm tritt der Bruch beim Scherzugversuch im Grundwerkstoff auf. Die Diffusionszone ist nur wenige Mikrometer (µm) dick und beeinflusst die mechanischen

23 Eigenschaften nicht negativ. Diese Verbindungen zwischen Aluminium und Stahl bildet sich auch bei nur einem be schichteten Fügepartner (Aluminium oder Stahl) in guter Qualität aus, wenn das Lot während des Pressvorganges fließen kann. Mischverbindungen zwischen Aluminium (AlMgSi) und Magnesium (AZ) erreichen 75 % der Grundwerkstofffestigkeit bei einer Bruchdehnung im Bereich des Magnesiumgrundwerkstoffes. Querschliff einer Mischverbindung aus AlMg0.4Si1.2 und DC04, Lot: ZnAl3 (auftragsgelötet) Hochfeste und extrem leichte Bauteile aus langfaserverstärktem Magnesium Am TU Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik werden derzeit neuartige langfaserverstärkte Verbundwerkstoffe mit Magnesiummatrix für den industriellen Einsatz entwickelt. Dabei wird durch Einbettung von hochfesten und hochsteifen Endlos Kohlenstofffasern in die duktile Magnesiummatrix eine erhebliche Verbesserung der Materialeigenschaften erreicht. Ständig steigende Anforderungen an die Effizienz moderner Leichtbaustrukturen in der Verkehrstechnik sowie im Maschinen und Anlagenbau verlangen zunehmend die Anwendung moderner Verbundwerkstoffe, die aufgrund ihrer hervorragenden Steifigkeits und Festigkeitseigenschaften den konventionellen monolithischen Werkstoffen deutlich überlegen sind. Unter der Leitung von Institutsdirektor Prof. Dr. Ing. habil. W. Hufenbach werden derzeit am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden neuartige Magnesiumverbundwerkstoffe mit kraftflussgerechter Endlosfaserverstärkung für den industriellen Einsatz entwickelt. Bei kohlenstofffaserverstärkten Magnesiumverbunden (CF Mg) wird durch Einbettung von hochfesten und hochsteifen Endlos Kohlenstofffasern in die duktile Magnesiummatrix eine erhebliche Steifigkeits und Festigkeitssteigerung sowie eine deutliche Reduzierung der Ermüdungs und Kriechneigung auch bei erhöhten Betriebstemperaturen erreicht.