Entwurf von Materialien auf atomarer Ebene

Um die Werkstoffe zu entwickeln, die die Gesellschaft morgen braucht, müssen wir radikal und kollaborativ denken. Mit seiner weltweit führenden Werkstoffkompetenz ist Sandvik gut aufgestellt, um die Welt von morgen mitzugestalten.

Sandvik entwickelt seit mehr als 150 Jahren neue Werkstoffe. Heute ist das Unternehmen einer der weltweit führenden Entwickler neuer Werkstoffe. Das Unternehmen weiß, dass es entscheidend ist, den aktuellen Trends voraus zu sein, um die Anforderungen der Kunden und der Gesellschaft zu erfüllen.

Marco Zwinkels, Director R&D Technology Platforms bei Sandvik Coromant, erklärt, dass die Nachfrage der Industrie nach neuen Werkstoffen vor allem durch die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und das Streben nach mehr Nachhaltigkeit in der Produktion getrieben wird.

Diese Nachfrage, so Zwinkels, stellt Sandvik vor ähnliche Herausforderungen bei der Entwicklung neuer Werkstoffe, die in Produkten für die Industrie und das verarbeitende Gewerbe eingesetzt werden, wie bei der Entwicklung von Sandviks Schneidwerkzeugen.

"Der Trend zur Gewichtsreduzierung in allen Transportmitteln führt zu einem immer stärkeren Einsatz von Faserverbundwerkstoffen und Leichtbauwerkstoffen wie Titan", sagt er, "wir sehen eine Zunahme von Aluminiumkomponenten, angetrieben durch die Entwicklung von elektrifizierten Fahrzeugen. Gleichzeitig werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie immer fortschrittlichere hitzebeständige Superlegierungen für Turbinen verwendet. Diese sind oft sehr schwierig zu bearbeiten, was höhere Anforderungen an unsere Werkzeuge stellt.

Eine weitere Triebkraft für die Entwicklung neuer Werkstoffe im Bereich der Zerspanungslösungen sind verschiedene Probleme im Zusammenhang mit Kobalt, einem der Hauptbestandteile von Hartmetall, dem wichtigsten Werkstoff für Zerspanungswerkzeuge für Metall und Gestein.

Kobalt wird immer problematischer, sagt Zwinkels: "Kobalt wurde als gefährlicher eingestuft als früher, und die Grenzwerte für die Exposition am Arbeitsplatz wurden herabgesetzt", erklärt er. "Außerdem wird es in oder in der Nähe von Konfliktgebieten abgebaut. Außerdem wird es in Autobatterien verwendet, so dass mit der Elektrifizierung von Autos die Gefahr besteht, dass es knapp wird.

Der Versuch, den zukünftigen Bedarf zu verstehen

Zwinkels sagt, dass Sandvik bei der Entwicklung neuer Materialien sowohl die Herausforderungen als auch die Chancen im Blick hat.

"Auf der Seite der Möglichkeiten treiben wir die langfristige Forschung intern voran, oft in Zusammenarbeit mit institutionellen und akademischen Partnern", sagt er, "wir untersuchen und verfolgen die Entwicklung neuer Materialien in der akademischen Welt. Der Bedarf ergibt sich aus Kundenanfragen, Markttrends und Branchenentwicklungen. Der wesentliche Input kommt von unserem weltweiten Vertriebs-, Technik- und Expertennetzwerk sowie von der Business Intelligence-Funktion. Auf dieser Grundlage versuchen wir zu verstehen, welche Art von Materialentwicklung in Zukunft erforderlich sein wird."

Bei der Entwicklung unserer Werkstoffe befinden wir uns jetzt auf atomarer Ebene, was es uns ermöglicht, neue Zusammensetzungen bestehender Werkstoffe zu entwickeln.

Susanne Norgren, Group Expert Materials Design bei Sandvik, ist auch außerordentliche Professorin für angewandte Materialwissenschaft an der Universität Uppsala. Für sie ist die aufregendste Entwicklung in der Materialwissenschaft die der revolutionären neuen Verfahren.

"Additive Fertigung und die Weiterentwicklung der integrierten rechnergestützten Werkstofftechnik sind Methoden, bei denen Materialien digital optimiert werden, um bestimmte gewünschte Eigenschaften zu erreichen. Außerdem können wir Werkstoffe und Bauteile auf neue und schnellere Weise entwickeln und konstruieren", sagt sie. "Das 3D-gedruckte Raumfahrtfahrwerk für SpaceX ist ein Beispiel, bei dem diese Methode eingesetzt wird, um von der atomaren Ebene zum fertigen Produkt zu gelangen."

Atome bewegen

Zwinkels pflichtet ihr bei: "Die Materialwissenschaft ist inzwischen sehr ausgereift", sagt er. "Wir können unsere Materialien jetzt auf atomarer Ebene entwerfen, so dass wir Atome verschieben können, um neue Zusammensetzungen bestehender Materialien zu schaffen. Mit Hilfe der Computermodellierung können wir sehen, welche neuen Zusammensetzungen möglich sind und was zu ihrer Verwirklichung nötig wäre."

Ein weiterer entscheidender Vorteil der additiven Fertigung besteht laut Norgren darin, dass die Ingenieure Abfallstoffe aus dem Prozess entfernen können, wodurch die Materialien leichter und damit nachhaltiger werden: "Ich denke, dass alle Kunden von Sandvik davon profitieren werden", sagt sie, "und Sandvik wird auch intern in Bezug auf die Effizienz profitieren. Sandvik ist sehr gut ausgestattet, wenn es um 3D-Druckmaschinen und Know-how geht."

Sandvik ist weltweit führend beim Recycling von Sinterkarbid.

Vielleicht kann eine nachhaltige Welt aber auch nur durch Recycling erreicht werden. Und das ist auch etwas, das Materialwissenschaftler immer mehr erforschen, unterstützt durch die neuen Rechenverfahren.

"Die zunehmende Verknappung von Kobalt und vielen anderen Materialien sowie die Notwendigkeit, unseren CO2-Fußabdruck zu verringern, zwingen uns, in unseren Produkten zu 100 Prozent recycelte Rohstoffe zu verwenden", sagt Zwinkels.

"Sandvik ist weltweit führend, wenn es um das Recycling von Hartmetall geht. Ein großer Teil der von uns verkauften Materialien stammt aus recycelten Werkzeugen, die wir zurückkaufen und in neues Material umwandeln. Das machen wir schon seit vielen Jahren erfolgreich, und das wird immer wichtiger werden."