Das Two-in-One-Prinzip. Hybride Werkstoffe und Strukturen

Komplexe Maschinen wie Autos oder Flugzeuge bestehen naturgemäß aus mehreren Komponenten – und somit aus mehreren Materialien. Durch den durchdachten Einsatz hybrider Werkstoffe aus zwei verbundenen Werkstoffklassen – namentlich vor allem aus Verbundwerkstoff und Metall – können sie deutlich näher am Optimum gestaltet werden.

Der durch Hybridbauweise reduzierte Materialeinsatz macht die Maschinen zudem leichter, was die Energie-, Kosten- und Umwelteffizienz ebenso erhöht wie die Nutzungsdauer – und gleichzeitig Wartungsaufwand und etwaige Entsorgungskosten senkt. Bestimmte Produkte und Funktionen werden durch hybride Werkstoffe und Strukturen ohnehin erst möglich gemacht.

Dies geht vom metallischen Gewindeeinsatz in Verbundwerkstoffstrukturen bis hin zur Rumpfoberschale des Airbus A380 aus Faser-Metall-Laminat.

Eine weitere Verbreitung und steigende Akzeptanz hybrider Werkstoffe und Strukturen würde somit die internationale Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands stärken und dem Wohl der Gesellschaft dienen – nicht zuletzt auch durch Arbeitsplätze in Technologiebranchen inklusive der gesamten Zulieferkette.

Zusammenarbeit fördern

Aktuell ist das industrielle und akademische Interesse an hybriden Bauweisen im deutschsprachigen Raum deutlich größer als in anderen Ländern. Diesen Vorsprung gilt es zu sichern. Hierzu muss die Expertise aus Metallen, Polymeren und der Interface-Entwicklung aus den verschiedenen Fachgebieten mit geeigneter Fertigungstechnik noch stärker als bisher zusammengeführt werden: Bisher werden Lösungen für spezielle Aufgaben häufig empirisch ermittelt, sodass die Ergebnisse bei kleinsten Veränderungen in den Randbedingungen ihre Gültigkeit verlieren.

Überhaupt liegt der wesentliche Forschungsbedarf der nächsten Jahrzehnte darin, mit Hilfe einer Kombination aus Experiment, Konstruktion und numerischer Simulation die komplexen Wirkungszusammenhänge aufzuklären, die eine zuverlässige Herstellung und den sicheren Betrieb von Hybridbauteilen in größerer Anwendungsbreite zu ermöglichen – von der Werkstoffherstellung und Bauteilfertigung über die Bauteilauslegung bis hin zur Verhaltensanalyse über den gesamten Lebenszyklus. Eine weitere Herausforderung wird es mittelfristig sein, hybride Werkstoffe und Strukturen zu schaffen, die besser recycelbar sind.

Konkret besteht akuter Bedarf an interdisziplinären Forschungsprogrammen, die gezielt die Zusammenarbeit von Herstellern und Verarbeitern im Metall-, Kunststoff- und Verbundwerkstoffsektor sowie die Zusammenarbeit von natur- und ingenieurswissenschaftlichen Disziplinen fördern.