Es ist schon faszinierend, wie viele Anwendungen durch Funktionswerkstoffe wie Piezokeramiken, Formgedächtnislegierungen und dielektrische Elastomere ermöglicht werden. So reicht das Portfolio der Anwendungen von Mikropumpen, die in den menschlichen Körper implantiert werden können und dort Flüssigkeiten transportieren, über frei platzierbare Lichtschalter, die keine elektrischen Anschlüsse mehr benötigen, bis hin zu Wellenkraftwerken, die elektrischen Strom aus Wasserwellen gewinnen.

Aktuelle Herausforderungen

Formgedächtnislegierungen sind bislang trotz ihres großen Potenzials aufgrund schwieriger Bearbeitungsverfahren und noch fehlender Langzeitstudien nicht derart weit verbreitet. Die dielektrischen Elastomere konkurrieren in vielen Anwendungen mit den Piezokeramiken, haben die in sie gesetzten Erwartungen hinsichtlich Effizienz und Zuverlässigkeit jedoch noch nicht erfüllt, sodass sie bislang kaum zur Anwendung kommen.

Einige Produkte aus Funktionswerkstoffen haben längst den Massenmarkt erreicht und werden in großen Stückzahlen überwiegend in Asien produziert. Hierzu gehören einfache Geräuschgeber oder Zündmechanismen für Feuerzeuge, die auf Piezokeramiken beruhen. Unternehmen in Deutschland und Europa sind hingegen insbesondere bei hochpreisigen Spezialanwendungen und Produkten im Premiumbereich aktiv. Hierzu zählen unter anderem Anwendungen in der Medizintechnik (z. B. Stents) oder im Automobilbereich (z. B. Spiegelverstellung). Dabei trifft das Innovationspotenzial jedoch auf Branchen, die ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit fordern. Diese Skepsis gegenüber neuen Materialien mit vermeintlich ungeklärten Eigenschaften hemmt die Verwendung neuer, innovativer Bauteile. Aber auch in anderen Technologiebereichen wie der Gebäudeautomatisierung treffen Funktionswerkstoffe auf Vorbehalte aufgrund fehlender Nachweise über Langzeitstabilität und dauerhafte Zuverlässigkeit. Dabei sind einige Entwickler durchaus inte-ressiert daran, die Eigenschaften von Funktionswerkstoffen in neuen Produkten zu nutzen, scheitern jedoch auch an einem einfachen Zugang zu den Materialien. Standardisierte Bauteile könnten hierbei zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Neben einer verbesserten Verfügbarkeit können die Funktionsbauteile auch bereits vorab in Langzeittests auf Stabilität und Zuverlässigkeit geprüft und zertifiziert werden.

 

Chancen durch Miniaturisierung

Die Verwendung von Katalogware ist jedoch oft ungeeignet, um das Potenzial der Funktionswerkstoffe auszuschöpfen. So ergeben sich viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Materialien erst aus der Möglichkeit zur Miniaturisierung und einer Verbindung von Form und Funktion, die mit Standardkomponenten nicht erreicht werden kann. Positionierbare Mikrospiegel oder implantierbare Mikropumpen lassen sich beispielsweise nur realisieren, wenn Funktionswerkstoffe bauteilspezifisch in die Herstellung eingebracht werden. Extreme Miniaturisierung setzt dabei eine hochangepasste Produktion voraus. Aber auch bei Anwendungen, die nicht dieses Maß an Miniaturisierung erfordern, spielen Funktionswerkstoffe oft erst in der Integration und Einbettung in komplexe Bauteile ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Materialien aus. Eine spezielle Formgebung und formschlüssige Einbettung in Baugruppen sind zum Beispiel notwendig, wenn Federn und Ventilklappen aus Formgedächtnislegierungen in einem Ventil oder Motorblock integriert werden sollen.
Hier sind additive Fertigungsmethoden wie 3D-Druck zielführend, die bei der Verwendung von Funktionswerkstoffen auch als 4D-Druck bezeichnet werden. Die Integration von Formgedächtnislegierungen in Druckverfahren steht bislang nur wenigen Unternehmen zur Verfügung. Eine bessere Verfügbarkeit dieser Methoden bei Auftragsfertigung kann hier auch kleinen und mittelständischen Unternehmen sowie innovativen Start-ups ermöglichen, Ideen mit Hilfe von Funktionswerkstoffen umzusetzen.

Wichtig ist hierfür auch eine stärkere Berücksichtigung dieser Aspekte in der Ingenieursausbildung. Neben der Kenntnis der Materialien ist der Blick auf ein nachhaltiges Produktdesign erforderlich, da Miniaturisierung und Einbettung am Lebensende des Produkts das Recycling und eine Wertstofftrennung erschweren.

Potenziale von Funktionswerkstoffen

Der Einsatz von Funktionswerkstoffen bietet großes Potenzial für innovative Produkte. Insbesondere für hochspezialisierte Anwendung, beispielsweise in der Medizintechnik und bei Produkten im Premiumsegment, entstehen für deutsche und europäische Unternehmen attraktive Märkte. Beispiele hierfür sind Mikropumpen sowie Schalter und Regler, die in ebenen Flächen verborgen, aber dennoch tastbar sind. Forschungsprojekte und Patentanmeldungen belegen hier die Aktivität deutscher und europäischer Akteure. Diese Märkte weisen jedoch hohe Eintrittsbarrieren auf, da die geforderte Langzeiterfahrung und aktuelle Zuverlässigkeitsstudien in der Regel noch nicht vorliegen. Durch eine höhere Verfügbarkeit von standardisierten Funktionsbauteilen und den Zugang zu additiven Fertigungsverfahren kann die Umsetzung kreativer Ideen mit Funktionswerkstoffen auch für kleine Unternehmen und Start-ups ermöglicht werden.
Um die Potenziale zu heben und bestehende Barrieren zu überwinden, ist eine starke Vernetzung von Industrieunternehmen, Forschungsinstituten und Hochschulen eine wichtige Voraussetzung. Nur so können die Chancen, die diese Materialien bieten, für den Standort Deutschland Nutzen bringen.

Text: Julia Kaltschew, Steffen Uredat
Foto: Steffen Uredat (iit); Fraunhofer IWU

< Zur Artikelübersicht

Smart × Struktur = Programmierbare Materialien >