Werkstoffe der Zukunft

Leichtmetalle wie Aluminium sind in der Antriebstechnik etablierte Werkstoffe. Neue Konstruktions- und Fertigungsverfahren erweitern jedoch ihre Einsatzmöglichkeiten und erlauben eine stärkere Funktionsintegration.

Ein Beispiel sind gegossene Wicklungen aus Aluminium oder Kupfer für Elektromotoren. Durch die gießtechnische Herstellung lassen sich Leiterquerschnitte freier gestalten. Dadurch können hohe Nutfüllgrade und direkt in den Leiter integrierte Kühlkanäle realisiert werden.

Bei entsprechenden Motorkonzepten kann so die geringere elektrische Leitfähigkeit von Aluminium gegenüber Kupfer teilweise konstruktiv kompensiert werden. Auch Aluminiumgehäuse mit integriertem Rohr- und Hohlstrukturen zeigen, wie Werkstoff, Geometrie und Kühlung gemeinsam entwickelt werden können.

Thermoplastische Kunststoffe übernehmen bereits heute Aufgaben in der Antriebstechnik. Thermoplastische Zahnräder sind dafür ein konkretes Beispiel. Hochleistungsthermoplaste wie PEEK erweitern den möglichen Einsatz polymerer Bauteile in Richtung höherer mechanischer und thermischer Beanspruchungen.

Je nach Anwendung können geringe Dichte, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Isolation oder Dämpfung Vorteile bieten. Verfahren wie der Spritzgruss ermöglichen zudem komplexe Geometrien und Funktionsintegration. Gleichzeitig müssen Temperatur, Steifigkeit, Tragfähigkeit, Verschleiß, Wärmeabfuhr, Lastprofil und Betriebsdauer zur jeweiligen Anwendung passen.

Ein Metallbauteil lässt sich deshalb nicht einfach geometrisch identisch in Kunststoff übertragen. Wandstärken, Bauteilgestaltung und Auslegung müssen an das Werkstoffverhalten angepasst werden. Erst eine werkstoffgerechte Konstruktion erschließt die möglichen Vorteile polymerer Bauteile.

Thermoplastische Elastomere verbinden elastische Eigenschaften mit thermoplastischer Verarbeitbarkeit. Damit sind sie auch für dynamisch beanspruchte Komponenten von Interesse.

Untersucht wird beispielsweise ihr möglicher Einsatz in elastischen Kupplungen, die unter anderem zur Beherrschung von Schwingungen und Drehmomentstößen im Antriebsstrang eingesetzt werden. Relevant sind dabei dynamische Zug- und Druckbelastungen, Kriechverhalten und Verarbeitbarkeit.

TPE sind damit kein grundsätzlicher Ersatz für etablierte Elastomere. Entscheidend ist, wie sich das Material unter realen Betriebsbedingungen verhält und ob es für die jeweilige Anwendung geeignet ist.

Gute Materialkennwerte allein reichen für eine belastbare Auslegung nicht aus. Entwickler müssen auch abschätzen können, wie sich ein Bauteil unter wechselnden Temperaturen und Belastungen über seine Lebensdauer verhält.

Aktuelle Forschung betrachtet deshalb Material, Herstellung, Geometrie, Temperatur und Belastung gemeinsam. Ein Beispiel ist die 2026 vorgestellte Schwingfestigkeitsdatenbank für thermoplastische Kunststoffe des Fraunhofer LBF.

Solche Daten schaffen eine bessere Grundlage für Simulation, Dimensionierung und Lebensdauerbewertung. Damit lassen sich unterschiedliche Bauteilgeometrien unter realen Betriebsbedingungen fundierter auslegen.

Künftige Werkstofflösungen müssen deshalb nicht zwangsläufig auf einem einzelnen Material basieren. Zunehmend geht es darum, unterschiedliche Materialien entsprechend ihrer jeweiligen Funktion gezielt einzusetzen und miteinander zu kombinieren.

Multimaterial-Konzepte folgen genau diesem Prinzip. Bei entsprechenden Stator-Konzepten werden beispielsweise Materialverteilung, Geometrie, technische Anforderungen und Fertigungsprozess gemeinsam betrachtet. Die zentrale Frage lautet damit weniger „Metall oder Kunststoff?“, sondern welcher Werkstoff an welcher Stelle die jeweilige Funktion am besten erfüllt.

Welcher Werkstoff geeignet ist, hängt von Lastprofil, Temperatur, Bauraum, Dynamik und Fertigung ab. Deshalb sollte die Werkstoffwahl früh in Konstruktion und Auslegung einbezogen werden.

Sie benötigen eine kundenspezifische Antriebslösung für besondere technische Anforderungen? Kern Antriebstechnik entwickelt und fertigt Motoren, Bremsen und Kupplungen auf Basis der jeweiligen Anwendung. Dabei fließen Konstruktion, Werkstoff, Fertigung und Betriebsbedingungen in die technische Gesamtauslegung ein.

Schreiben Sie uns!