»Die Forschung arbeitet auf Hochtouren«

Juli 2019 | Handelsblatt | New Materials

»Die Forschung arbeitet auf Hochtouren«

Faserverbundwerkstoffe, additive Fertigung, biointelligente Werkstoffe – in allen Bereichen der Industrie wird an innovativen Materialien geforscht.

Prof. Dr. rer. nat. Bernd Mayer, Foto © Fraunhofer IFAM
Interview: Mirko Heinemann / Redaktion

Prof. Dr. Bernd Mayer, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM gibt einen Einblick in den aktuellen Stand der Spitzenforschung.

 

Prof. Dr. rer. nat.  Bernd Mayer ist seit dem 1. August 2010 Institutsleiter am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen, und verantwortet den Bereich Klebtechnik und Oberflächen. Zugleich ist er Professor für Polymere Werkstoffe und Oberflächentechnologien im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen.

 

Herr Professor Mayer, mit der Energiewende steigen die Ansprüche an effiziente, leichte und wiederverwendbare Materialien. Forschen Sie bereits in diese Richtung?
Die aktuelle politische Diskussion vermittelt manchmal den Eindruck, dass wenig passiert, aber die Realität ist eine andere. Die Forschung arbeitet längst auf Hochtouren an der Entwicklung effizienter und hochgradig fester Materialien zur Unterstützung der Energiewende. Nehmen Sie etwa die Offshore-Windanlagen. Sie wären ohne moderne Faser-Verbundwerkstoffe überhaupt nicht denkbar. Rotorblätter von 90 Metern Länge sind inzwischen gang und gäbe, in Zukunft werden Anlagen noch größer. Sie müssen über Jahrzehnte stabil und funktionsfähig bleiben angesichts von Wind und Wetter, salzhaltiger Luft und komplexen mechanischen Beanspruchungen, denen sie auf den Meeren ausgesetzt sind.

 

Welche Eigenschaften haben diese Faserverbundstoffe?
Faserverbundwerkstoffe liefern eine hohe mechanische Festigkeit bei geringem Gewicht. Nur haben wir hier im Gegensatz zu Metallen, die wiederverwendet werden können, das Problem des Recyclings. Wir arbeiten an neuen Technologien, mit deren Hilfe die Vernetzung der Polymerketten rückgängig gemacht werden kann. Das geschieht innerhalb eines chemischen Prozesses, der physikalisch ausgelöst wird, etwa mit Strahlung oder Wärme. Damit kann nach Ablauf der üblichen Nutzungsdauer das Recycling der Kunststoffe erleichtert werden. Natürlich muss gewährleistet sein, dass dieser Prozess keinesfalls während der Nutzung ausgelöst werden kann. Im Labor funktioniert das schon, jetzt kommt es darauf an, es in eine industrielle Anwendung zu überführen.

 

Die Energiewende erstreckt sich ja bekanntlich auf sehr viele Bereiche, ein wichtiger davon ist die Frage nach der Speicherung der volatilen Energiemengen, etwa in Batterien. Auf diesem Gebiet gilt Deutschland als Nachzügler. Kann sich das ändern?
Die Batterieforschung ist ein großes und aktuelles Thema in der Materialforschung. Wir arbeiten derzeit an der Entwicklung einer Festkörperbatterie auf Basis von Polymerelektrolyten. Wir hoffen damit die Effizienz und vor allem die Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus zu erhöhen, etwa zur Verwendung in Elektrofahrzeugen. Nachdem Asien zwar in Sachen Batterieproduktion im Vorteil ist, sehe ich die Spitzenforschung in Deutschland auf einem guten Weg. Auch das Thema Brennstoffzelle wird immer wichtiger. Die Brennstoffzelle ist, wenn vielleicht nicht im Pkw, so doch sicher im Bereich Schwertransporte, eine wichtige Alternative zur Batterie. In diesem Bereich forscht unser Institutsteil in Dresden, nämlich an Lösungen zur Wasserstoffspeicherung.


Die Elektromobilität erfordert neue Ansätze im Leichtbau. Welche verfolgen Sie?
Viele. Wir haben zum Beispiel ein gießtechnisches Verfahren entwickelt, mit dem leistungsstarke Spulen für Elektromotoren gefertigt werden können. Indem wir Kupfer durch Aluminium ersetzen, kann bei nahezu gleichbleibendem Wirkungsgrad eine Gewichtsreduzierung von bis zu 50 Prozent ermöglicht werden. Somit kann die gleiche Leistung mit weniger Gewicht, weniger Material und weniger Bauraum erzielt werden.

 

Der Metallguss mutet ja fast altertümlich an angesichts der neuen additiven Fertigungsverfahren, die auch als industrieller 3D-Druck bezeichnet werden. Werkstücke, Designerware, Triebwerkteile, ja, ganze Häuser kommen bereits aus dem 3D-Drucker. Gehört dieser Technologie die Zukunft?
Die additive Fertigung ist inzwischen hochgradig entwickelt und wird in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt. Die Technik ist extrem variabel, damit können dreidimensionale Bauteile bis hin zur Losgröße 1 gefertigt werden, also Einzelstücke. Das ist etwa im Bereich der medizinischen Implantate sehr wichtig. Weniger Sinn macht die additive Fertigung, wenn man große Stückzahlen geometrisch identischer und nicht übermäßig komplexer Teile fertigen möchte. Hier sind konventionelle Verfahren – wie beispielsweise die Gießereitechnologie – überlegen und oftmals auch effizienter.

 

Gibt es hier neue Entwicklungen in der Materialforschung?
In der Vergangenheit wurde viel Forschungsarbeit in die Entwicklung von additiven Fertigungsanlagen gesteckt. Die Materialentwicklung wurde im Vergleich dazu vernachlässigt. Das muss sich jetzt ändern. Zum Verständnis: Die Bauteile werden schichtweise gefertigt. Die einzelnen Schichten müssen untereinander optimal verbunden sein, um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Konventionelle Materialien erzielen diese Optimierung nicht, dazu bedarf es Anpassungen. Eine andere Herausforderung ist die Vergütung von Oberflächen. Hier forschen wir an entsprechenden Verfahren, um lose anhaftende Reste zu entfernen und eine gleichmäßige Oberfläche zu erzeugen, die dann zum Beispiel lackiert werden kann.


Welcher Materialgruppe sprechen Sie besonders großes Potenzial zu?
Schauen wir in die Zukunft, so sehen wir große Chancen im Bereich der biointelligenten Materialien. Wir haben etwa einen Klebstoff auf Basis von Hydrogelen entwickelt. Sein Einsatzgebiet liegt im medizinischen Bereich, in der Therapie bei Nierensteinen. Üblicherweise wird bei der Entfernung der Nierenstein zerstört und die Trümmer manuell entfernt. Allerdings bleiben bei der Zerstörung Kleinstfragmente im Körper zurück. Diese sind nicht schädlich, aber sie können Kristallisationskeime für neue Nierensteine bilden. Deshalb haben Menschen, die schon einmal Nierensteine hatten, ein hohes Risiko, noch einmal Nierensteine zu entwickeln. Hier kommt der neue Klebstoff zum Zuge: Er wird in die Niere injiziert, wird dort vergelt und umhüllt die dort verbliebenen Fragmente. Der sich bildende Gelpfropfen kann manuell vom Mediziner entfernt werden, infolge dessen ist die Niere frei von Fragmenten. Für diese und andere biointelligente Materialien sind zahlreiche Anwendungsgebiete denkbar, auch in der Industrie. Wir stehen hier am Anfang einer vielversprechenden Entwicklung.