Innovationen…

Ego-Vortrag

RT15 Linz

im Oktober 2006

Innovationen: Was gibt es Neues? Supraleitung

Widerstand ist zwecklos

Presshärtende Stähle Stahl ist ein „Kunst-Stoff“

Supraleitung: Widerstand ist zwecklos

Die Entdeckung: Ist schon ein Weilchen her….

Super? SupraWie? Supraleitung: What‘s that?

Ein Schritt in „wärmere“ Gefielde Hochtemperatur-Supraleitung

Herstellung & Anwendung: Alles nur Keramik

SupraleitungIm Prinzip gar nicht mal so neu! Entdeckung der Supraleitung 1911 durch den Holländer

Kammerlingh Onnes am Element Quecksilber

Heike Kamerlingh Onnes (1853 - 1926)

1913: Nobelpreis für Physik

Supraleitung tritt in

• gewöhnlichen Metallen (Hg, Pb, Nb, Al, ..)• Legierungen (Nb3Sn ...), • Oxiden• Anorg. & organischen Verbind.

in der Nähe des absoluten Temperatur - Nullpunkts (0 K = -273.15 °C) auf.

SupraleitungJetzt will ich‘s genau wissen! Der Zustand der Supraleitung wird durch zwei

Eigenschaften eindeutig festgelegt: Sprungartiger Abfall des elektrischen Widerstands bei der für jeden

Supraleiter typischen Sprungtemperatur Tc Verdrängung eines äußeren Magnetfeldes (Meissner-Effekt)

Bei Tc verschwindet der elektrische Widerstand

Im supraleitenden Zustand wird ein äußeres Magnetfeld verdrängt

SupraleitungAuch hier gibt’s unterschiedliche „Typen“ Durch ihr Verhalten im Magnetfeld lasses sich aber zwei

unterschiedliche Arten von Supraleitern unterscheiden:

• Supraleiter aus reinen Elementen • Beschränkter Nutzen, da sie kaum äußere Magnetfelder aushalten

• Verdrängt Magnetfeld nicht komplett • Großer Nutzen, da sie sehr viel höhere Magnetfelder widerstehen

SupraleitungJetzt will ich‘s genau wissen! Der Meissner-Effekt: Eine anschauliche Illustration

• Typ II Supraleiter (schwarz)

•Magnet (silber)

• Typ II Supraleiter verdrängt Magnetfeld nicht komplett

• Magentische Flusslinien werden im Supraleiter „verankert“

Jetzt wird’s deutlich wärmer!Hochtemperatur-Supraleitung 1986: Folgenschwere Entdeckung von

Dr. J. Bednorz und Prof. Dr. K. Müller auf der Suche nach Supraleitern mit höherer Sprungtemperatur Keramische Verbindung aus La, Ba, Cu

und Sauerstoff

1987: Nobelpreis an Bednorz und Müller für diese Entdeckung

Kühlung jetzt mit flüssigem Stickstoff möglich!

Hochtemperatur-SupraleiterHerstellungsroute ähnlich einer Keramik

Ausgangssubstanzen: Yttrium-Oxid Bariumcarbonat Kupfer-Oxid

Vermischen & Glühen @900°CReaktionsgleichung:Y2O3 + BaCO3 + CuO YBa2Cu3O6 + 6 CO2 + O2

Mahlen, Pressen & Sintern

SupraleiterBestehende und mögliche Anwendungen Magnetschwebebahn á la Trans-Rapid

• Derzeit: Schweben wird mit Kupferspulen und einem Magneten realisiert

• Zukunft: TU Dresden arbeiten an einem Konzept „SupraTrans“ auf Basis eines Supraleiters

SupraleiterBestehende und mögliche Anwendungen Energietechnik

Kabel (Pirelli GmbH, American Superconductors …) Absenkung der Übertragungsverluste Bei gleichem Durchmesser lässt sich mehr als die 3fache

elektrische Leistung übertragen. 2007 supraleitendes Kabel vom Festland nach Long Island!

Generatoren, Motoren… (von Siemens realisiert) Verluste sinken drastisch; Reduzieren des Bauvolumens auf die Hälfte Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen bieten höhere Leistung

bei geringerem Gewicht. Einsatz z.B. bei Bahnen, um das Gewicht der Lokomotiven zu verringern.

SupraleiterBestehende und mögliche Anwendungen Telekommunikation

Verlustarme Leitungen Frequenzfilter höchster Güten

Werden bereits in US in Basisstationen der mobilen Kommunikationstechnik, Satelliten usw. eingesetzt

Elektronik Rauscharme Schaltkreise Miniaturisierte Bauelemente Taktfrequenzen in einigen 100 GHz realisierbar

SupraleiterBestehende und mögliche Anwendungen Medizintechnik

Kernspin-Tomografie Aus der technischen Diagnostik nicht mehr wegzudenken Supraleitende Magnete bilden dabei die grundlegende technische

Voraussetzung. Kühlung mit flüssigem Helium (-269 °C)

Sensoren zur Erfassung geringster Magnetfelder durch Aktivitäten von Herz bzw. Gehirn Sensitivität: 10-9 Tesla

(vgl. Erdmagnetfeld 10-4 Tesla)

Themenwechsel

Von – 269°C auf weit über 1000°C

Stahl ist ein „Kunst-Stoff“

Werkstoffentwicklung Ein Überblick

Latest Technology: Presshärtende Stähle Jetzt wird’s richtig heiß

Anforderungen liefern Innovationen Anforderungen an die Karosse bzw. den Werkstoff bedingen

die Weiterentwicklung des attraktiven Werkstoffs Stahl

Anforderung an die Karosserie Anforderung an den Werkstoff

„Einstellbarkeit“ des Werkstoffes Stahl Bei der Stahlherstellung bestimmt der Kohlenstoffgehalt

wesentlich die Kristallstruktur des Eisens

Was bestimmt das mechanische Eigenschaftsspektrum von Werkstoffen wie Stahl?

In metallischen Werkstoffen sind die Atome in einer Gitterstruktur regelmäßig angeordnet

Aber nobody is perfect: Ein metallischer Werkstoff besteht nicht aus einem perfekten Kristall, sondern aus Vielen kleinen Kristallen und Beinhaltet viele Imperfektionen

Diese Imperfektionen bestimmen ganz wesentlich die Eigenschaften und sind daher gezielt einzustellen und zu kontrollieren

Imperfektionen im Werkstoff Stahl Der Verbund der einzelnen Kristalle bildet das Gefüge

Der Ausgang: Weichstähle Weichstähle zeichnen sich durch ein hohen

Umformvermögen aus (Tiefziehstähle)

Weiterentwicklung der 90-Jahre:Weichstähle mit besten Umformeigenschaften IF-Stähle: DX53D, DX54D …

Weiterentwicklung der 90-JahreKonventionelle Höherfeste Stähle Antwort der Stahlindustrie auf die damalige Audi Karosse

aus Aluminium Erhöhung der Zugfestigkeit von Stahl mit dem Ziel der Gewichtsreduktion der Karosserie

Was erwartet die Automobilindustrie von der Stahlindustrie? Wohin der Weg führt: Noch fester & dehnbarer

Die jetzige Weiterentwicklung:Multiphasenstähle Durch Beimischen von Legierungselementen und gezielte

Wärmebehandlungen kann das Gefüge beeinflusst und eingestellt werden.

Anwendung höchstfester Stähle Typische Bauteile der Karosserie sind z.B.

B-Säule Tunnel

Verstärkungsprofile

Trend: Werkstoffmix Werkstoffvielfalt am Beispiel Audi A6

Trend: Werkstoffmix Werkstoffvielfalt am Beispiel Opel Signum

Die Innovation für den Automobilbau:Presshärtende Stähle Gezielte Wärmebehandlung ermöglicht eine 6-fachen

Festigkeitsanstieg gegenüber konventionellen Stählen!

Die Innovation für den Automobilbau:Presshärtende Stähle Warum gerade Presshärtende Stähle?

… Leichtbau … Einsparung im Gewicht der Karosserie ermöglicht auch Treibstoffreduktion

… SicherheitHohe Festigkeit wichtig für Crash-relevante

Bauteile, z.B. Seitenaufprallträger

Die Innovation für den Automobilbau:Presshärtende Stähle Festigkeitsniveaus von 1500 MPa und darüber darstellbar

(6 x so fest wie Weichstähle) An einem 3mm dicken Draht aus diesem Stahl, kann man ein Auto

aufhängen!! jüngste Seitencrashanforderungen können – bei geringen Blechdicken –

erfüllt werden hohe Karosseriesteifigkeiten

Keine Rückfederung hohe Stabilität der Geometrie der Bauteile

Komplexe Geometrien bei hohen Festigkeiten darstellbar Reduktion der Anzahl der Bauteile möglich

Die Innovation für den Automobilbau:Presshärtende Stähle

3. Erwärmen 4. Formhärten

1. Platinen schneiden 2. Kaltumformen

5. Oberflächen - 6. Qualitätskontrolle konditionierung

Indirekte Warmumformung: Der voestalpine-PHS Prozess

Die Innovation für den Automobilbau:Presshärtende Stähle Indirekte Warmumformung oder das Formhärten im Detail

Bauteile werden zuerst im kalten Zustand tiefgezogen

Formhärten des heißen Bauteils in eigener Presse mit Abkühl-

geschwindigkeiten bis 300°C/sek

Erwärmen auf 900°C im Durchlaufofen

Die Innovation für den Automobilbau:Presshärtende Stähle Anlage zum Formhärten bei VW in Kassel

Die Innovation für den Automobilbau:Presshärtende Stähle Anlage zum Formhärten bei VW in Kassel

Die Innovation für den Automobilbau:Presshärtende Stähle Weiterer USP: Zink-Beschichtung mit kathodischem Korrosionsschutz

Problem beim Erwärmen des Werkstoffs auf 900°C: Zink wird bei 440°C flüssig und verdampft bei 907°C

Stahl

Zinkschicht

ZnO

ZnZn

Zinkoxidation

Zn Zn

FeFe

StahlPHS:HT1500PS Z 200,1,3 mm, 900°C/5min

Eisen-Zink Schicht

Lösung:Man gebe ein wenig Aluminium in die Beschichtung, was beim Erwärmen zu einer Aluminium-Oxid Schicht an der Oberseite führt und somit ein Abdampfen von Zink verhindert!

Die Innovation für den Automobilbau:Presshärtende Stähle Volvo XC90: ca. 28 kg der Karosserie aus PHS

(Gewichtsersparnis 15 kg/Karosse)

Die Innovation für den Automobilbau:Presshärtende Stähle VW-Passat: ca. 45 kg der Karosserie aus PHS

HT1500PS

Original Bauteil aus voestalpine Werkstoff

ultraform

Die wichtigsten Innovationen …

… sind jene, die das Denken verändern .

Noch Fragen?