3 Gründe, warum Hightech-Verbundwerkstoffe traditionelle Materialien ersetzen

Zahlreiche wissenschaftliche und technische Fortschritte haben zu dem Schluss geführt, dass die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen traditionellen Alternativen oft überlegen sind. Hier sind einige der Vorteile, die sie so vielversprechend machen.

1. Verbesserung der Nachhaltigkeit

Der globale Fokus liegt auf dringenden Themen wie Klimawandel und übermäßiger Abfallproduktion. Die Menschen sind zunehmend damit beschäftigt, nachhaltige Materialien zu entwickeln, um diejenigen zu ersetzen, die wahrscheinlich häufiger weggeworfen werden. Viele umweltfreundliche Verbundmaterialien können den Bedarf decken.

Reparierbare Kohlefaserkomponenten zur Verlängerung der nutzbaren Lebensdauer

Kohlefaserverbundwerkstoffe sind beliebte Alternativen, um herkömmliche Metalle zu ersetzen, die für alles von Flugzeugteilen bis hin zu Golfschlägern verwendet werden. Die meisten von ihnen sind jedoch praktisch unmöglich zu reparieren oder zu recyceln, sobald sie kaputt sind.

Ein neuer Fortschritt von Forschern der University of Washington könnte diesen Nachteil überwinden. Das Team schuf ein neues Material, das so leicht und stark wie herkömmliche Kohlefaser-Verbundwerkstoffe ist, aber leicht zu reparieren ist, wenn es reißt. Menschen können den Schaden wiederholt auf traditionelle Weise oder mit hochfrequenzbasierter Erwärmung beheben.

Das Material gehört zu einer relativ neuen Kategorie namens kohlenstofffaserverstärkte Vitrimere (vCFK). Andere Arten von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen fallen in zwei Hauptgruppen. Der erste Typ enthält Epoxid, das eine dauerhafte Härte verleiht. Diejenigen in der zweiten Kategorie verfügen über einen weicheren Klebstoff, der es ermöglicht, das Material für die Nachbearbeitung zu zerlegen, allerdings auf Kosten einer verringerten Festigkeit und Steifigkeit. vCFKs ermöglichen jedoch das Verbinden, Trennen und erneute Verbinden ohne solche Kompromisse.

Kohlefaserbauteil für den Innenraum eines Autos senkt die Emissionen

In einem weiteren Fall von verbesserter Nachhaltigkeit durch Weiterentwicklungen von Kohlefaserverbundwerkstoffen ersetzte ein Schweizer Unternehmen neun Innenraumkomponenten von Fahrzeugen, die typischerweise im Motorsport verwendet werden, durch ein nachhaltigeres Verbundmaterial aus Naturfasern. Dies führte zu einer Reduzierung der Materialemissionen um 94 % und zu einer Reduzierung der Cradle-to-Gate-Emissionen um 90 %.

Ein weiterer Vorteil von Verbundwerkstoffen besteht darin, dass sie ihre ursprünglichen Eigenschaften übertreffen können, wie z. B. hitzebeständig behandeltes Altholz. Das bedeutet, dass die Leute überrascht sein werden, wenn sie mehr darüber erfahren, wie Verbundwerkstoffe die Eigenschaften gängiger Materialien verändern können, von denen sie glaubten, sie gut zu kennen.

Dies sind nur einige der vielen Beispiele dafür, wie diese futuristischen Verbundwerkstoffe zu den weltweiten Bemühungen zur Verbesserung der Nachhaltigkeit beitragen könnten. Unternehmensleiter könnten sie sogar als Verkaufsargumente verwenden, um zu zeigen, dass ökologische Nachhaltigkeit den gesamten Unternehmensbetrieb umfasst. Zum Beispiel priorisieren Hersteller von Windturbinen, die sie verwenden, eine längere Widerstandsfähigkeit gegenüber der vorzeitigen Entsorgung von Gegenständen auf Mülldeponien.

2. Verbesserung wesentlicher Prozesse

Menschen, die mit Verbundwerkstoffen arbeiten, untersuchen oft, wie sie Benutzern helfen können, ihre Prozesse zu verbessern. Beispielsweise werden Verbundwerkstoffschrauben häufig für die Montage von Terrassendielen gewählt, da sie normalerweise dichter sind als herkömmliche Holzversionen. Sie haben auch feinere Gewinde und vergleichsweise kleinere Köpfe, wodurch sie sich leichter in Terrassendielen eintreiben lassen.

Durch die Verbesserung von Schrauben können Arbeitskosten eingespart und die Chancen auf hervorragende Ergebnisse erhöht werden, und dies ist nur ein Beispiel. Möglichkeiten zur Stärkung eines bestehenden Prozesses können sich praktisch in jeder Phase zeigen, von der Entwicklung eines Produkts bis hin zur Durchführung von Qualitätsprüfungen.

Roboter unterstützen bei der Herstellung von Lüfterflügeln aus Verbundwerkstoff

Ein Großteil der laufenden Arbeiten im Zusammenhang mit Verbundwerkstoffen betrifft futuristische Ansätze wie die Anwendung von Robotik und maschinellem Lernen bei Entwicklungsbemühungen.

Beispielsweise hat Rolls-Royce eine neue spezielle Einrichtung für die Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe. Einer der dortigen Ansätze betrifft die Verwendung von Robotern zur Herstellung von Fanschaufeln aus Verbundwerkstoffen, die in Strahltriebwerken verwendet werden.

Kohlefaser-Verbundmaterial wird auf eine Lüftergehäuseform geschichtet

Jede Komponente besteht aus etwa 500 Schichten Kohlefasermaterial, die jeweils in einem vollautomatischen Prozess unter Aufsicht von Fabrikarbeitern aufgetragen werden. Roboter heben und bewegen die Teile zwischen den Stationen der Montagelinie und sorgen so für einen reibungslosen und effizienten Betrieb.

Maschinelles Lernen könnte Composite-Tests verbessern

Die Forscher hoffen auch, durch maschinelles Lernen Fortschritte bei den Methoden zu erzielen, die normalerweise angewendet werden, um Verbundwerkstoffe auf Fehler zu testen. Die beliebtesten traditionellen Methoden sind röntgen- und ultraschallbasierte Tests. Beide haben jedoch ihre Nachteile, was die Forscher dazu anspornt, die Einschränkungen anzugehen.

Russell Varley ist Professor für Verbundwerkstoffe bei Carbon Nexus, einer Produktionsforschungseinrichtung in Australien. Er sagte:„Das Verständnis und die Entwicklung von Analysemethoden der nächsten Generation für die zerstörungsfreie Prüfung von Verbundwerkstoffprodukten hat ein großes Potenzial, die Branche zu verändern.“

Eine Organisation vergab ein Forschungsstipendium für dieses Projekt, um zu sehen, ob maschinelles Lernen einige bekannte Probleme beim Testen von Verbundwerkstoffen angehen könnte. Beispielsweise ist der Einsatz röntgenbasierter Verfahren kostenintensiv bei Kapital- und Betriebsinvestitionen.

Diese Fallstudien bedeuten nicht, dass die Menschen aufgehört haben, Prozesse zu verbessern, die mit traditionellen Materialien verbunden sind. Das anhaltend hohe Interesse von Materialspezialisten weltweit an Verbundwerkstoffen führt jedoch dazu, dass sich ein Großteil der Forschung auf neuere Optionen konzentriert, die aus mindestens zwei Werkstoffen bestehen.

Hightech-Verbundwerkstoffe ändern ihre Farbe, um Fehler anzuzeigen

Die beiden vorherigen Beispiele in diesem Abschnitt zeigen, wie Verbundwerkstoffe oft mit den Bemühungen um Industrie 4.0 übereinstimmen. Es gibt jedoch auch faszinierende Arbeiten, um die Materialien selbst dazu zu bringen, Fabrikprozesse zu beschleunigen.

Die Forscher entwickelten ein Verbundlaminat, das die Farbe als Reaktion auf Verformung ändert. Sie glauben, dass dies es ermöglichen wird, Probleme in früheren Stadien zu erkennen und die Menschen auf mögliche Materialfehler aufmerksam zu machen. Menschen haben das Material bisher nur im Labor verwendet. Funktioniert sie jedoch so gut, wie es sich die Entwickler erhoffen, könnte die Innovation Prozesse in vielerlei Hinsicht verbessern.

Beispielsweise könnte es Arbeiter daran hindern, Verbundwerkstoffteile mit internen Schwächen herzustellen, und zukünftige Rückrufaktionen minimieren. Das Team berichtete auch, dass ihr neues Material, das aus Schichten besteht, bruchfest und leicht ist. Da dies zu den wünschenswertesten Eigenschaften von Verbundwerkstoffen gehört, könnte diese Erfindung breite Anwendungen und Anziehungskraft haben.

3. Förderung materialbasierter Verbesserungen

Ein weiterer Vorteil von Verbundwerkstoffen besteht darin, dass sie es Ingenieuren und Wissenschaftlern ermöglichen, neue Optionen zu entwickeln, die Anforderungen erfüllen, die durch herkömmliche Entscheidungen nicht abgedeckt werden. Menschen suchen immer nach praktikablen Wegen, um Produkte zu verbessern. Verbundwerkstoffe weisen oft den Weg nach vorn.

Neues Verbundmaterial aus Vliesstoffen

Vliesstoffe sind solche, die aus Bindefasern gewonnen werden, die kein Stricken oder Weben erfordern. Forscher haben kürzlich ein neues Verbundmaterial entwickelt, das in diese Kategorie fällt. Sie glauben, dass ihre Innovation ideal für medizinische Produkte wie Verbände und Masken sein könnte.

Um ein Material herzustellen, das stundenlang oder länger mit der Haut von Menschen in Kontakt kommen kann, muss sorgfältig über die gewünschten Eigenschaften von Verbundmaterialien nachgedacht werden. In diesem Fall wollte das Team Atmungsaktivität und Wasseraufnahmefähigkeit. Sie wollten auch Baumwolle für Komfort einschließen.

Tests zeigten, dass der neue Stoff saugfähiger war als herkömmliche Optionen. Es schnitt auch bei Dehnungserholungstests gut ab, was darauf hindeutet, dass das Material einer wiederholten Verwendung standhalten würde. Das Team räumte ein, dass, obwohl andere Optionen gute Atmungsaktivität und Dehnfähigkeit aufweisen, die Wahl, Baumwolle hinzuzufügen, einen weiteren spürbaren Vorteil bieten sollte.

High-Tech-Material könnte den Ärger mit zerbrochenen Telefonbildschirmen verringern

Da Bildschirme so notwendige Teile der heutigen Smartphones sind, geben sich viele Menschen große Mühe, sie zu schützen. Selbst wenn Hersteller beispielsweise ultrabeständiges Glas einbauen, fügen viele Smartphone-Besitzer auch Displayschutzfolien hinzu oder stecken ihre Geräte in Spezialhüllen, um zusätzliche Sicherheit zu haben. Eine Innovation im Zusammenhang mit Verbundglas könnte jedoch die Notwendigkeit dieser zusätzlichen Schritte reduzieren.

Das Projekt eines internationalen Forschungsteams führte zu einem Glasverbundstoff, der den Bildschirmbruch minimieren und ein helleres Display bieten könnte. Die Materialien basieren auf Bleihalogenid-Perowskiten, die wie Miniatur-Solarpanels funktionieren, weil sie Energie einfangen und speichern. Der grundlegende Ansatz besteht darin, Nanokristalle in ein poröses Glas einzuwickeln.

Diese Methode sollte die aktuellen Nanokristalltechnologien verbessern, die für Gerätebildschirme verwendet werden. Die Gruppe, die an diesem Projekt arbeitet, warnte davor, dass sie zwar glauben, dass ihre Techniken skalierbar sind, aber noch viel zu tun bleibt. Sie müssen herausfinden, wie sie Materialien mit den gewünschten Eigenschaften am besten herstellen können.

Hightech-Materialien sind vielversprechend

Dies sind nur einige der vielen Vorteile von Verbundwerkstoffen, die Menschen für die Zukunft begeistern. Traditionelle Materialien haben immer noch in zahlreichen Fällen ihren Platz, aber diese Beispiele zeigen die Vorteile der Arbeit mit Verbundwerkstoffen, um spezifische Ergebnisse zu erzielen.