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Legende: Schmieden eines eisenbasierten
Gussblockes einer Formgedächtnislegierung (SMA): Um den Block
verformen zu können, wird er auf etwa 1150 Grad Celsius
erhitzt (Bild: Institut für Metallformung, TU Bergakademie
Freiberg). |
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Empa-Innovationspreis 2014 am ETIF
verliehen
Der Empa-Innovationspreis wurde im Herbst 2014 im Rahmen des «Empa
Technology & Innovation Forum» (ETIF) verliehen. Der
Preis ging an das Team aus den beiden Abteilungen «Structural
Engineering» und «Joining Technologies and
Corrosion» mit dem Projekt «Shape memory steel as a new
prestressing material for the building industry». Es ist eine
erfolgreiche und beispielhafte Zusammenarbeit zwischen Material-
und Ingenieurwissenschaften, wie der stellvertretende Direktor der
Empa, Peter Richner, betont. Das Projekt setzt
Formgedächtnislegierungen zur Vorspannung grosser
Betontragwerke ein, was bislang ein viel zu teures Unterfangen war.
Die neu entwickelte, auf Eisen basierende
Formgedächtnislegierung hat das grundlegend verändert und
erfüllt bezüglich Phasenumwandlungstemperatur und
Korrosionsverhalten alle Anforderungen, um in Betonstrukturen
eingesetzt werden zu können.
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Formgedächtnislegierungen (engl. shape memory alloy, SMA)
nehmen selbst nach starker Verformung automatisch oder durch
Wärmeeinwirkung wieder ihre ursprüngliche Gestalt an. Das
macht sie zu einem interessanten Werkstoff, der heute ausser
für Brillengestelle bereits für Thermostate, Stents und
Mikroaktuatoren verwendet wird. Auch im Bauwesen sind Anwendungen
denkbar, für die Verstärkung von Brücken etwa. |
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Wird ein
Betonträger mit SMA-Stäben bewehrt, lassen sich diese
durch Hitze «aktivieren»: Sie wollen sich in ihre
ursprüngliche Form zusammenziehen. Da sie aber einbetoniert
sind, geht das nicht, es entsteht eine Vorspannung. Der Effekt
liesse sich somit nutzen, um zum Beispiel ganze Brückendecks
vorzuspannen. Die SMA-Stäbe müssen lediglich mittels
Durchleiten von Strom erhitzt werden, damit sie sich vorspannen.
Eine aufwändige Spannvorrichtung und Hüllrohre
entfallen. |
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Für
den Bau wenig attraktiv sind Nickel-Titan-Legierungen, aus denen
Brillengestelle oder Stents gefertigt werden. Interessant sind
vielmehr Produkte auf Eisenbasis, da diese nicht nur viel
günstiger sind, sondern auch deutlich geringere Prozesskosten
aufweisen. Bislang mussten sie zur Aktivierung des
Formgedächtniseffekts allerdings auf bis zu 400ºC erhitzt
werden. Das ist für den Einsatz in Beton und Mörtel oder
anderen temperaturempfindlichen Materialien zu hoch. Empa-Forschern
um Christian Leinenbach aus der Abteilung
„Fügetechnologie und Korrosion“ ist es nun gelungen,
eine neuartige Eisen-Mangan-Silizium-Legierung zu entwickeln: Sie
lässt sich bereits bei für Beton erträglichen
Temperaturen um die 160 ºC aktivieren. Dazu
«designten» die Materialwissenschaftler mittels
thermodynamischer Simulationen virtuelle Legierungen. Die
aussichtsreichsten Kombinationen wurden daraufhin im Labor
hergestellt und auf ihre Formgedächtniseigenschaften hin
untersucht. Mit Erfolg: Gleich mehrere dieser neuen Materialien
genügten den Anforderungen der Bauingenieurkollegen – ein
Meilenstein auf dem Weg zum günstigen Formgedächtnisstahl
für Anwendungen im Industrie- sprich Tonnenmassstab. |
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Betonbalken, der
mit zwei in Schlitzen eingelegten Fe-SMA-Lamellen verstärkt
wurde: Die Lamellen wurden mittels Durchleiten von elektrischem
Strom erhitzt und dadurch vorgespannt (sichtbar sind lediglich
Kupferklemmen und Stromkabel). |
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Der lange Weg vom Labor zum fertigen Produkt
Christoph Czaderski von der Empa-Abteilung
„Ingenieur-Strukturen“ sieht für eisenbasierte SMA
im Bauwesen gute Chancen, weil das Vorspannen einfacher und deshalb
günstiger ist als bei konventionellen Spannsystemen. Zudem
sind sogar vorgespannte Systeme denkbar, die mit konventionellen
Methoden nicht oder nur sehr schwierig machbar sind, wie
Kurzfaserbeton, Stützenumwicklungen, Einschlitzlamellen oder
gerippte Bewehrungsstähle. Eine von der Kommission für
Technologie und Innovation (KTI) finanzierte Machbarkeitsstudie
zeigte vor Kurzem, dass die neuen Legierungen nicht nur im
Labormassstab von wenigen Kilogramm, sondern sogar im
Industriemassstab hergestellt werden können. Der
Herstellungsprozess wurde mit der österreichischen
Universität Leoben, der deutschen TU
Bergakademie Freiberg und der deutschen Firma G. Rau GmbH
entwickelt. |
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Die
Umformung von rund 100 kg schweren Gussblöcken zu etwa zwei
Millimeter dünnen Lamellen oder zu gerippten
Bewehrungsstäben bei Temperaturen von mehr als 1000 ºC
benötigt ein enormes Fachwissen – und die entsprechende
Ausrüstung. Auch mussten die Umformungsprozesse auf die
neuartigen Legierungen angepasst werden. |
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Die so hergestellten
Lamellen bewährten sich in den nachfolgenden Tests, bei denen
sie in Schlitze in der Betonoberfläche von
Stahlbetonträgern einbetoniert wurden. |
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Aufbauend auf den Empa-Entwicklungen wurde 2012 das Start-up-Unternehmen
re-Fer AG gegründet, das künftig eisenbasierte SMA
für das Bauwesen produzieren und vertreiben wird. Die Kosten
sollen dabei in der Grössenordnung von rostfreiem Edelstahl
liegen. |
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Quellen: Bilder Nr. 1, 2 und 3 v.l.n.r: Institut
für Metallformung, TU Bergakademie Freiberg, Bild Nr.
4: Firma G.RAU GmbH & Co. KG, Pforzheim, D
Sie können weitere Bilder hier anschauen und downloaden: https://flic.kr/s/aHsjYpj3FA
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