MINT-Vertiefung - Stahldesign für Automobile

Am Montag, den 26. März 2018, trafen die Schüler um 9 Uhr bei der TU in Darmstadt im Fachbereich Materialwissenschaften ein. Es stand eine MINT-Vertiefung unter dem Motto "Stahldesign für Automobile in Forschung und Praxis" bevor. Die Gruppe setzte sich aus einem Schüler und zwei Schülerinnen zusammen.

Zuerst wurden wir von einigen Mitarbeitern der TU begrüßt, es folgte eine Vorstellung des Gebiets "Materialwissenschaften" und ein entsprechender Bezug zum Studium an der TU. So könne man den Begriff "Materialwissenschaften" mit den Begriffen "Werkstoffkunde" und "Werkstoffwissenschaft" gleichsetzen. Hierbei kümmere man sich um die Erforschung, Herstellung, Charakterisierung und Verarbeitung technischer Materialien und Werkstoffe. Man wolle die Eigenschaften von Materialien anhand deren atomaren Aufbaus verstehen können und verfolge das Ziel, mit diesem Wissen dann bestimmte Eigenschaften bewusst durch bestimmte Mischverhältnisse oder andere Eingriffe erzeugen zu können. Schwerpunkte im Studium seien dabei die Fachbereiche Physik, Mathematik, Chemie und Maschinenbau. Einflüsse hat die Materialwissenschaft in High Tech Anwendungen, in der Medizintechnik, der Energietechnik, der Elektronik und im Maschinenbau. Damit gelte die Materialwissenschaft als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Für die Einsatzmöglichkeiten wird ein Auto aufgegriffen: hier habe man Einfluss auf die Lichttechnik, die Karosserie und Sensoren und auf Bremssysteme. Außerdem beeinflusse man die Arbeit an Elektromotoren, mit Brennstoffzellen und die Entwicklung mit regenerativen Energien. In der Medizintechnik arbeite man an Kniegelenken, in der Energietechnik an Solarzellen und im Bereich der Elektronik helfe man bei der Entwicklung von Displays (nur als herausgegriffene Beispiele). Weiter wurde erklärt, dass sich die Materialwissenschaften aus drei Grundpfeilern aufbauen: dies seien die Synthese, die sich mit Massivwerkstoffen, Schichten und Nanostrukturen beschäftige, die Charakterisierung, die die atomare und elektrische Struktur, elektrische, magnetische und mechanische Eigenschaften untersuche und die Modellierung. Diese erstelle eine Simulation auf atomarer und makroskopischer Ebene. In Darmstadt gäbe es am Fachbereich momentan rund 400 Studierende und 125 Doktoranden. Angestrebt werde eine Jahrgangsstärke von etwa 60 Studenten, weshalb es kleine Gruppen in Übungen und Versuchen gäbe. Außerdem stellt die TU ein Mentorenprogramm, bei dem jeder Student am Anfang des Studiums einen Professor als Mentor erhält, und Tutorien, bei denen Studenten höherer Semester jüngeren Studenten helfen, zur Verfügung. Das Grundstudium bestehe aus 3 Semestern, die hauptsächlich Physik, Chemie, Mathematik, Mechanik, Maschinenbau, Elektrotechnik und Materialwissenschaften einschließen, die folgenden 3 Semester (Hauptstudium) enthielten dann Lesungen über die Herstellung, Eigenschaften und Charakterisierung und ein Industriepraktikum. Abgeschlossen wird das Studium mit einer Bachelorarbeit, danach könne der Master Studiengang in englischer Sprache an der TU folgen. Arbeiten könne man dann in der Forschung und Entwicklung der Industrie, aber auch als Betriebsingenieur oder im Patentwesen. Außerdem möglich sei aber auch eine Universitätslaufbahn. Voraussetzungen für das Studium seien ein naturwissenschaftliches und technologisches Interesse, Spaß an praktischer und theoretischer Arbeit und ein abstraktes Denkvermögen.
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Nach dieser Vorstellung des Fachgebiets wurde uns der Stahl vorgestellt und wir haben einen Film dazu angeschaut. So könne man Stahl aus Eisenerz, Chrom, Kalk und Koks herstellen. Der Kalk unterstütze im geschmolzenen Eisenerz die Trennung in Roheisen und Schlacke, die man dadurch entfernen könne. Das entstehende Roheisen würde jedoch durch einen großen Anteil Kohlenstoff spröde werden. Daher wird das flüssige Roheisen aus einer gewissen Höhe ausgegossen. Hierbei wird Sauerstoff aufgewirbelt, wodurch der im Roheisen enthaltene Kohlenstoff verbrennt. Es entsteht Rohstahl. Dieser benötigt jedoch noch einen Kohlenstoffanteil, da er ganz ohne Kohlenstoff zu weich sei. Der Aufbau des Stahls besteht aus winzigen Kristallen mit Dendriten (Spitzen). Dabei bestimme die Größe der Kristalle die Eigenschaften des Stahls. Jede Legierung sorgt dabei für ein bestimmtes Gefüge, was eine ganz bestimmte Eigenschaft bewirkt. So sorgen Titan und Mangan für eine besondere Festigkeit, die sich für Werkstoffstähle eignet. In Deutschland werden so insgesamt über 2000 Stahlsorten hergestellt. Stahl ist zu 100% wiederverwertbar und kann somit beliebig oft praktisch ohne Qualitätsverlust recycelt werden. Für Schmiedestücke, Bleche, Rohre, Profile und Draht bestehen aus unterschiedlichen Stahlsorten hergestellt und können so unterschieden werden. Blech entstehe dabei durch Walzen von Stahlklötzen. Ein weiterer Unterschied zwischen Materialien kann in der Oberflächenbeschichtung bestehen. Diese kann als Witterungsbeständigkeit auf der Hochsee oder auf Achterbahnen nützlich sein. Mit Zink erhalte man zum Beispiel Schutz vor Korrosion. Andererseits könne man auch galvanische Beschichtungen nutzen, die gut als Untergrund für weitere Beschichtungen dienen. In der Küche wiederum sei Edelstahl nützlich, der rostfrei und geschmacksneutral ist. Als Vorteile des Stahls wird angeführt, dass der Rohstoff Eisenerz wegen der großen vorliegenden Menge in der Erdoberfläche sehr günstig sei, dass der Herstellungsprozess günstig und das Reduzieren des Eisenoxids leicht machbar sei. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Reduktionsmittel Koks gleichzeitig als Legierungselement einsetzbar ist. Der Stahl lässt sich gut umformen, verarbeiten und fügen, leicht recyceln und die mechanischen Eigenschaften sind weit variierbar. Nachteile sind, dass Stahl meist entweder sehr teuer oder ziemlich korrosionsanfällig ist, dass die Bearbeitungstemperatur auf 600° begrenzt ist und dass er durch eine große Dichte relativ schwer wird. Manche Autohersteller setzen in ihrem Bau auch auf Aluminium. Dieses ist etwa dreimal leichter. Damit dieses dieselbe Last tragen kann, wird jedoch auch etwa die dreifache Menge verwendet, sodass das Fahrzeug im Endeffekt nahezu gleich schwer sei. Momentan bestehe noch das Problem, dass sehr feste Stähle zwar eine große Gewichtsreduzierung ermöglichten, dafür aber schlechter formbar seien und damit die Verarbeitung extrem schwer werden. Daher werde in der Forschung noch nach einem Stahl gesucht, der sowohl sehr fest und leicht zu verarbeiten sei.

Nach dieser Einführung sind wir ins Labor gegangen. Dafür waren uns drei Stähle gegeben und wir haben den Fall simuliert, dass von einer Autofirma eine Vorgabe vorliege und nun derjenige Stahl gefunden werden müsse, der diese erfüllt.

Angefangen haben wir hierbei mit der Härtemessung nach Vickers. Hierbei suchte man sich einen bestimmten Ort auf einem präparierten Metall aus, in den dann maschinell eine Diamantpyramide eingesenkt wurde. Dies geschieht jeweils mit gleicher Zeit und gleicher Kraft, um entsprechende Ergebnisse vergleichen zu können. Dabei entsteht ein Quadratischer Eindruck im Metall, bei dem man in hell die durch die Pyramide entstandenen Kerben erkennen konnte. Im Umfeld dieses Eindrucks war noch eine Reaktion des Stahls zu erkennen, es wirkte kieselig, die Struktur hatte sich etwas verbeult. Anhand von der Größe des Eindrucks konnte nun bestimmt werden, wie hart der Stahl ist. Bei weicheren Stählen ist der Eindruck entsprechend größer als bei festeren Materialien. Der Eindruck wurde nun entweder manuell markiert oder vom System, die Größe wurde ausgemessen und die Härte wurde ausgegeben. So haben wir die drei Stahlsorten alle gemessen und den Durchschnitt von jeweils unterschiedlichen Messungen ermittelt. Dieser lag für die drei Stähle bei knapp 8 4HV, 140 HV und 202 HV.

Außerdem haben wir die Struktur der Stähle unter dem Lichtmikroskop beobachtet. Dabei konnte man feststellen, dass Stahl eins ein rein ferritisches Gefüge vorweist (dies sind nahezu weiße bzw. helle Bereiche, die von gräulichen Linien umgeben sind). Die Härtemessung eines solchen Bereichs ergab etwa 158 HV. Stahl 2 wies ein ferritisch-perlitisches Gefüge auf (die perlitischen Bereiche erschienen hierbei mit ähnlicher Form wie die ferritischen, waren jedoch mit gräulich bräunlichen Streifen durchsetzt). Die Messung des Perlits ergab eine Härte von knapp 240 HV. Stahl drei enthielt zusätzlich martensische Gefüge. Diese erscheinen im Bild noch dunkler und erscheinen schroff, wie etwa eine Gebirgsspitze. Die Messung dieses Anteils ergab etwa 685 HV, war damit der stärkste Bestandteil. Wenn man sich die Zusammensetzung der verschiedenen Gefüge in den drei Stählen betrachtet, ist klar, wie deren Festigkeit entsteht.

Außerdem haben wir in diesem Labor auch nochmal einen seitlichen Blick auf das Metall geworfen und durch Messungen an verschiedenen Stellen die Dicke der Oberfläche am Stahl bestimmt.

Danach haben wir das Labor gewechselt und mit einem Rasterelektronenmikroskop gearbeitet. Hier haben wir erneut die Struktur des Stahls beobachtet, nun aber auch Einschlüsse fremder Materialien entdeckt. Mit Hilfe des Mikroskops konnten Absorptionsspektren der jeweiligen Stellen erstellt werden, die Rückschlüsse auf das Material erlauben. So konnte festgestellt werden, dass ein Einschluss aus Titannitrid und einem geringen Anteil Aluminiumoxid, ein anderer überwiegend aus Aluminiumoxid besteht. Diese sind im Stahl eigentlich nicht beabsichtigt gewesen und vermutlich eher eine Verunreinigung, die durch Recycling entstanden sein könnte.

Am zweiten Tag trafen wir uns bei der Opel Automobile GmbH in Rüsselsheim erneut. Hier fanden nun weitere Messungen statt.

Zuerst haben wir einen Metallausschnitt in einer Maschine zwischen zwei Backen eingespannt. Nun wurden beide Backen mit einer genormten Kraft und Geschwindigkeit auseinandergezogen und die Messung in einem Diagramm festgehalten. Anhand der Kraft, die bis zum Reißen des Metalls aufgebracht werden konnte, konnte hier ein weiterer Wert für die Festigkeit bestimmt werden. Diese waren für unsere drei Stähle 305 MPa, 431 MPa und 677 MPa.

Als zweites haben wir eine Härtemessung nach Erichsen durchgeführt. Hierbei wird ein quadratisches Stück des Stahls in eine Vorrichtung gespannt und eine Kugel mit bestimmtem Durchmesser mit bestimmter Kraft eingedrückt, bis das Probestück reist. Anhand der gemessenen Zeit und des Risses kann man Aussagen über die Härte des Stahls und eine Struktur machen.

Danach sind wir in den chemischen Bereich der Prüfungen gewechselt. Hier haben wir als erstes eine Spektralanalyse durchgeführt. Hierbei wird der Stahl einem Lichtbogen ausgesetzt, der die enthaltenen Atome anregt. Anhand des Absorptionsspektrums kann mit Hilfe der entsprechenden Intensität die Zusammensetzung des Materials bestimmt werden. Diese unterschied sich in unserem Fall maßgeblich am Mangan- und Titananteil.

Danach haben wir noch verschiedene Messungen zur Schichtdicke vorgenommen. Die erste fand mit Hilfe von Röntgenfluoreszenz statt. Bei einer zweiten konnte man mit einem Stift auf verschiedenen Stellen des Stahls ansetzen. Dieser enthielt eine stromdurchflossene Spule, die je nach Schichtdicke einen mehr oder weniger starken Strom induzierte. Anhand dieser Stromstärke konnte dann entsprechend die Schichtdicke ermittelt werden. Bei der dritten Methode löste man die Schicht mit Hilfe eines chemischen Verfahrens ab und konnte mit Hilfe des Gewichtverlusts die entsprechende durchschnittliche Dicke ermitteln.

Im Ergebnis erkannten wir dann, dass nur Stahl zwei die geforderten Eigenschaften erfüllt.

Nach der Mittagspause folgte dann eine Werksführung. Ausgehend vom Adem-Opel-Haus sind wir dann mit einem Bus durch das Werksgelände gefahren. Dabei haben wir die Werksfeuerwehr gesehen und sind am Opelmuseum ausgestiegen. Hier wurde uns die Geschichte von Opel erzählt. Adam Opel habe mit dem Bau von Nähmaschinen angefangen, dann seien unter Anderem Fahrräder und Motorräder gebaut worden. Später folgten Traktoren. Das erste Auto hat Adam Opel selbst wohl nie gesehen, es sah aus wie eine Kutsche. Es folgten Flugzeugmotoren und Rennwägen. Danach machten wir Halt im Presswerk. Hier wird von einer Stanzmaschine aus einem Quadratischen Stahl die Form ausgepresst und in weiteren Schritten wird diese dann in Form gebogen. Den zweiten Halt machten wir im Karosseriewerk bzw. in der Rohbaumontage. Dort wurden die zuvor geformten Teile von Robotern zusammengeschweißt und die Karosserie entstand. Im dritten Halt, der Fertig- und Endmontage wurden dann Karosserie und Unterbau zusammengesetzt und der Innenraum eingebaut.

Nach dem Ende dieser Führung trafen wir uns nochmal zu einer kurzen Nachbesprechung mit Feedback-Runde und Verabschiedung. Dann durften wir uns wieder auf den Heimweg machen.

Julia Keil, Q4