Werkstoffkunde in Aktion: Bercella entwickelt „lebende“ Nanoverbundwerkstoffe

Bei Geschwindigkeiten bis zu 360 km/h und einer Kurvenbeschleunigung von über 5 g müssen Formel-1-Rennwagen allerhöchsten Belastungen standhalten.

Entsprechend komplex und aufwendig ist ihre Entwicklung, technische Konstruktion und Herstellung. Die Kosten für den Unterhalt eines Formel-1-Rennstalls bewegen sich laut Medienberichten pro Saison im acht- bis neunstelligen Bereich. Ein beträchtlicher Anteil davon entfällt allein auf das Chassis, das bei vielen Modellen aus dem Superwerkstoff Carbon hergestellt wird. Kein Wunder also, dass Werkstoffkunde derzeit voll im Trend liegt.

Im Mittelpunkt dieses Trends steht der italienische Konstrukteur und Hersteller Bercella, der bereits über 500 selbsttragende Karosserien (Monocoques) für Dallara und andere Formel-1-Giganten gefertigt hat.

Dabei beruht der Ruf des mittelständischen Betriebs mit gut 50 Mitarbeitern keineswegs nur auf diesen 500 Karosserien oder auf dem riesigen Autoklaven, in dessen Innerem man bequem einen Kleinlaster parken könnte. Das eigentliche Unterscheidungsmerkmal, das Bercella einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil als Innovator verschafft, ist sein Werkstofflabor.

„Als wir von 2011 bis 2012 unser konstruktionstechnisches Leistungsangebot ausbauten, wurde uns klar, dass ein solches Labor in der Branche einzigartig sein würde, deswegen haben wir uns dafür entschieden“, so Massimo Bercella, der bei Bercella für die Geschäftsentwicklung zuständig ist. „Die Möglichkeit, Werkstoffe im eigenen Betrieb entwickeln und testen können, ist unserer Meinung nach eine ziemlich einmalige Sache, und für unsere Ingenieure ist es eine große Hilfe bei strukturellen Simulationen und der Planung von Arbeitsabläufen.“

Als promovierte Werkstoffwissenschaftlerin mit langjähriger Forschungserfahrung erfüllte Laura Marchini genau Bercellas Anforderungsprofil. Marchini schlug ein gemeinsames Projekt mit ihrem vorherigen Arbeitgeber, dem Istituto dei Materiali per l‘Elettronica ed il Magnetismo (IMEM), zur Entwicklung eines innovativen „lebenden“ Werkstoffs vor, der dynamisch auf die jeweiligen Außenbedingungen reagiert. Bercella hat das Urheberrecht für die zum Patent angemeldete Erfindung und verhandelt derzeit auf verschiedenen Märkten über Lizenzvereinbarungen.

„Ich bin dabei, hier bei Bercella ein Forschungsprogramm aufzubauen“, erklärt Marchini. „Ich wollte aus der Wissenschaft in die Wirtschaft wechseln, habe mich nach dem richtigen Unternehmen umgesehen und bin auf Bercella gestoßen. [Der Geschäftsführer] Franco Bercella hat mir von Anfang an bei der Wahl meiner Forschungsschwerpunkte viel Freiraum gelassen. Zwar war ich die erste Wissenschaftlerin in der Firma, jedoch bringen viele meiner Kollegen Erfahrung im Maschinenbau oder der Luftfahrttechnik mit.“

Weiter sagt sie: „Der Grundgedanke besteht darin, einen Sensor zu konstruieren, der so klein ist, dass er sich in das Bauteil integrieren lässt, ohne strukturelle Beeinträchtigungen zu verursachen. Bei eingebauten Sensoren hat man das Problem, dass sie die Leistung des Bauteils negativ beeinflussen. Deswegen lag mein Schwerpunkt auf der Entwicklung des Werkstoffs.“

Die erwähnten Beeinträchtigungen können durch die Größe oder das Gewicht der Werkstoffe entstehen, aus denen der Sensor besteht. Durch Verwendung von Kohlenstofffasern lassen sie sich einerseits minimieren, zweitens wird der Sensor aus dem gleichen Werkstoff gefertigt wie die Struktur, in die er eingebaut wird, sodass er deren Reaktionen auf Umgebungstemperaturen und Belastung quasi „nachvollzieht“.

In diesem Video wird Druck auf eine Sensorplatte aus „intelligenten“ Kohlenstofffasern ausgeübt. Der Werkstoff spürt den Druck und reagiert darauf, indem er einen Stromstoß auslöst. Dieser kann an beliebiger Stelle auf der Sensorplatte empfangen und an eine Rechnereinheit weitergeleitet werden.

Marchini beginnt mit den Kohlenstofffasern, die sie durch Nanostrukturierung mit piezoelektrischen Funktionseigenschaften anreichert, sodass sie auf mechanische Belastung mit Stromstößen reagieren. Während in der Forschung derzeit intensiv mit Nanoröhren gearbeitet werde, wie Marchini berichtet, setze man sich bei Bercella nicht zuletzt deshalb auf nanostrukturierte Oberflächen, weil sie sich kosteneffizienter und ohne Einsatz von Ultrahochvakuum-Anlagen herstellen lassen.

„Diese Sensoren können alles protokollieren, was im Rumpf oder Chassis eines Wagens passiert“, erklärt sie. „Neben Temperatur, Druck und Belastung können auch zahlreiche weitere Variablen aufgezeichnet und gemessen werden. Dadurch wird eine ständige Überwachung des Bauteils möglich, sodass sich technische Störungen vorhersehen lassen. Wenn die Struktur im Laufe ihrer Lebensdauer bereits zahlreichen Belastungen ausgesetzt wurde, kann man sie ersetzen, bevor es zu einem plötzlichen Zusammenbruch oder Versagen kommt.“

Einen weiteren Vorteil sieht Massimo Bercella darin, dass „man dem Bauteil dabei weder Fremdkörper wie etwa die gegenwärtig üblichen faseroptischen Sensoren noch zusätzliches Gewicht hinzufügen muss“.

Um es im technischen Fachjargon auszudrücken, betrifft die zum Patent angemeldete Erfindung der Firma Bercella ein piezoelektrisches Gerät auf Zinkoxid-Basis, das sowohl als Sensor zur aktiven Strukturüberwachung wie auch als Antriebselement für formverändernde Materialien oder Morphing-Effekte eingesetzt werden kann. Im Kern besteht dieses piezoelektrische Gerät aus mindestens zwei Kreuzwicklungen aus Kohlenstofffaser-Garn. An der Schnittstelle der Garne befindet sich eine nanostrukturierte Zinkoxid-Schicht, die mit einem Computer verbunden wird.

Potenziell könnte dieser Werkstoff bzw. dieses piezoelektrische Gerät drastische Veränderungen in Anwendungsbereichen vom Automobilbau bis zur Luft- und Raumfahrt herbeiführen. Auch für die Verbraucher bietet ein Werkstoff, der Störungen vorhersehen und verhindern kann, offensichtliche Vorteile. Entsprechend heißt es in der Patentanmeldung: „In der Luftfahrtindustrie kann ein erfindungdgemäßer Sensor als Belastungssensor in Primärstrukturen wie Spanten, Rippen und Außenverkleidung eingebaut werden. Außerdem kann das piezoelektrische Gerät als Antriebselement zur Erzeugung morphologischer Veränderungen an den beweglichen Oberflächen des Flugzeugs, insbesondere der Flügelgeometrie, verwendet werden, um durch Anpassung an die wechselnden aerodynamischen Kräfte die Steuereigenschaften des Flugzeugs zu verbessern.“

Bei Bercella weiß man, dass die Mehrzahl der Kunden sehr an Effizienzgewinnen beim Bau verschiedenster Arten von Fahrzeugen interessiert ist. Zudem sind die Kunden ihrerseits in technologisch hochkompetenten Branchen tätig und aktiv auf der Suche nach Lösungskonzepten zum Erfassen von Daten und Einholen von Feedback zu ihren Strukturen und Geräten. Für Bercella bedeutet die Entwicklung „intelligenter“ und reaktionsfähiger Werkstoffe die Chance, sich einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen.

„Ich gehe davon aus, dass dieser Werkstoff die gleiche Entwicklung durchmachen wird wie jeder andere Ultra-High-Tech-Werkstoff“, glaubt Massimo Bercella. „Als erstes wird er in der Rüstung oder Raumfahrt zum Einsatz kommen, dann in der Luftfahrt; dann folgen Rennwagen und schließlich Straßenfahrzeuge. Allgemein gesprochen wird die Nachfrage der Automobilbranche nach Verbundwerkstoffen für Bercella innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre ausgezeichnete Marktchancen bieten.“