Hochleistungswerkstoff

Wenn in den kommenden Jahren die ersten Missionen mit Menschen an Bord zu Mondlandungen starten, sind die Strukturen der Raketen, deren wichtigste Komponenten und Maschinenteile aus extrem robusten Thermoplasten gefertigt. In der Raumfahrt zählt wie auch in der Luftfahrt oder beim Militär jedes Gramm Gewicht. Es kann für Erfolg oder Misserfolg einer Mission entscheidend sein. Deshalb sind die Ingenieure immer auf der Suche nach dem Werkstoff, der maximale Festigkeit aufweist. Der aber im Vergleich zu Stahl ein möglichst geringes Gewicht hat.

Im Moment liegt Ultra-High-Molecular-Weight-Polyethylene – oder kurz UHMWPE – an erster Stelle der Werkstoff-Hitparade, er gilt als etwa 15-mal stärker als Stahl und ist ultraleicht.

Nicht nur wichtige Teile in Mondraketen oder Satelliten sind daraus gefertigt. In Passagierflugzeugen sind Türen, Innenverkleidungen oder Flügel aus passend in Form gepresstem UHMWPE. Streitkräfte verbauen Kunststoffplatten in allen Größen und Stärken als Panzerung. In Schiffen, Transportpanzern, U-Booten schützen sie Leben und garantieren Unversehrtheit der Einsatzkräfte. Hubschrauberpiloten vertrauen darauf, dass Polyethylene im Boden ihrer Helikopter und in ihren Sitzen die Schüsse der gegnerischen Soldatinnen und Soldaten besser abwehren, als Stahl es je konnte.

Der Standard der Hochleistungswerkstoffe 

Auch in Schutzwesten wird heute entweder UHMWPE oder Kevlar als Panzerung genutzt. Der Werkstoff Kevlar wurde in den 60er-Jahren entwickelt. Es ist rund fünfmal stärker als Stahl und gilt für viele Spezialisten als Standard, wenn sie über Stabilität, Strapazierfähigkeit und Langlebigkeit diskutieren. 

Im zivilen Bereich kommt es praktisch überall vor – vom Fahrrad über den Arbeitsschutz bis in die Automotive-Industrie. Autohersteller nutzen es unter anderem für Bremsbeläge, Kupplungen, für Teile der Karosserie oder für die Festigkeit der Karosseriestruktur. Beim Militär besteht die Panzerung von Schutzwesten und Gefechtshelmen aus Kevlar. Panzerfahrzeuge werden damit oft im Inneren ausgekleidet. So soll verhindert werden, dass die Besatzungen bei Treffern Verletzungen durch eindringende Metallsplitter erleiden.

Auch der Unterboden der Fahrzeuge wird von außen mit Kevlarplatten verstärkt. Dadurch werden Menschen und Fahrzeug vor Minenexplosionen geschützt. Hinzu kommen Ausrüstungsteile wie Handschuhe, feuerfeste Kleidung und Schilde, die ebenfalls zu großen Teilen aus Kevlar bestehen.

Werkstoffe aus dem Motorsport

Carbon und Kevlar sind Hochleistungsmaterialien, eine Gemeinsamkeit ist, dass sie in Verbundwerkstoffen eingesetzt werden. Auch Carbon folgt der Vorgabe und Logik „fester als Stahl und leichter als Aluminium“. Im direkten Vergleich zeigen sie allerdings grundlegend unterschiedliche Eigenschaften. Während Carbon für Steifigkeit und Leichtbau steht, gelten Schlagzähigkeit und Bruchfestigkeit als die Vorteile von Kevlar.

Berühmt wurde Carbon als das dominierende Material in der Formel 1. Dank seiner Festigkeit sowie des extrem geringen Gewichts ist es der ideale Werkstoff für die Rennboliden. Er steht für maximale Leistung und höchste Geschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Sicherheit – ein weiteres scheinbares Paradoxon der modernen Werkstoffe. Auch in der Militärtechnik sind dies essenzielle Ansprüche, die für die Verwendung von Carbon sprechen. Sie ermöglichen die Fertigung von sehr leichten, robusten Waffensystemen, Flugzeugen, Drohnen und Fahrzeugen.

Metallpulver für additive Fertigung

Bei ihrer Verarbeitung werden Polyethylene erhitzt und in eine Form gepresst. Carbon wird zu Komponenten geformt und in einem Ofen gehärtet oder „gebacken“. In der additiven Fertigung drucken die Hersteller die benötigten Teile und Komponenten. Ingenieure können mit dieser Technologie Strukturen entwickeln und realisieren, die sie auf keine andere Art produzieren könnten. Die vier wichtigsten Materialien im 3D-Druck sind Polymere, Metalle, Keramiken und Verbundwerkstoffe. Sie werden meist als Draht, Pulver oder flüssige Harze verarbeitet. Bei den Weltraum-Missionen und an Bord der Stationen im Orbit haben die Astronauten immer zwei 3D-Drucker bereit stehen. Falls ein Bauteil oder eine Komponente des Raumschiffs defekt ist oder fehlt, können sie sich Ersatzteile schnell und problemlos drucken.

Und bei den Mondlandungen wird die additive Fertigung eine wesentliche Rolle spielen. Denn die einzige Chance, auf dem Mond Strukturen, Stationen oder Minen aufzubauen, besteht im Drucken mit Mondstaub. Auch in der Flugzeugindustrie ist der 3D-Druck ein essenzieller Teil der Produktion: Die Hersteller nutzen Metalle wie Aluminiumlegierungen oder Titan-Komponenten unter anderem für Triebwerke. Diese halten extreme Temperaturen aus und werden praktisch über Nacht hergestellt – also „gedruckt“.

Mit entsprechenden Umbauten und Updates eigenen sich diese zivilen Komponenten, Triebwerke oder auch ganze Passagierflugzeuge vom Band für die extremen Beanspruchungen im militärischen Bereich.