Neuer Sonderforschungsbereich Sauerstofffreie Produktionsumgebungen schaffen

Eine sauerstofffreie Umgebung bringt das Potenzial für neue, energieeffiziente und ressourcenschonende Prozesse und eine insgesamt effizientere Produktion. Neuartige Produkteigenschaften und ein echter Technologiesprung würden möglich.

Ziel des Sonderforschungsbereichs (SFB) „Sauerstofffreie Produktion“ ist es, eine Produktionstechnik unter Sauerstofffreiheit zu entwickeln und zu etablieren, die diese neuen Möglichkeiten eröffnet. Der SFB wird in den kommenden vier Jahren mit rund 9,5 Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Problemstellung

„Wo immer in der Produktionstechnik zwei Metalle in unmittelbaren Kontakt miteinander kommen, treffen eigentlich nicht die Metallatome aufeinander, sondern die auf den jeweiligen Oberflächen befindlichen Oxidschichten, die durch den Sauerstoff in der Umgebung gebildet werden“, erklärt Prof. Hans Jürgen Maier die Herausforderung. Maier ist Direktor des Instituts für Werkstoffkunde am Produktionstechnischen Zentrum Hannover und Sprecher des am 1. Januar 2020 offiziell startenden SFB. „Diese Oxidschichten erschweren zum Beispiel das Fügen von Werkstücken, weswegen wir beim Schweißen, Löten und in der additiven Fertigung durch oxidschichtfreie Werkstoffe große Vorteile erwarten. Ebenso könnte der Verschleiß von Werkzeugen beim Spanen und Umformen durch die Abwesenheit von Sauerstoff signifikant reduziert werden.“

So wenig Sauerstoff wie im All

Da in jedem technisch realisierbaren Vakuum ebenso wie in einer beispielsweise beim Schweißen eingesetzten Argon-Schutzgasatmosphäre noch immer zu viele Sauerstoffatome vorhanden sind, lassen sich die Limitierungen durch Oxidation in Metallverarbeitungsprozessen bisher nicht überwinden. Der SFB verfolgt nun einen innovativen Ansatz, um erstmals produktionstechnische Verfahren unter völliger Sauerstofffreiheit zu realisieren. Im Zentrum dabei: das Silan-Gas SiH₄.

„Wir werden dem Argon eine kleine Menge Silan zugeben“, erklärt Sebastian Herbst, Wissenschaftler am Institut für Werkstoffkunde und künftiger Geschäftsführer des SFB. „Silan, also SiH₄, ist extrem wirksam: Das Silicium reagiert mit dem Sauerstoff in der Umgebung, sodass Siliciumdioxid und Wasser entstehen. Auf diese Weise erzeugen wir eine Sauerstofffreiheit, die derjenigen im interstellaren Raum entspricht.“

In der ersten, jetzt bewilligten Förderperiode wollen sich die rund 40 Wissenschaftler aus verschiedenen Fachdisziplinen grundlegenden Fragestellungen widmen. Herbst: „Wir beginnen zunächst damit, auf die Wirkzone zu schauen, also etwa: Was passiert in einer sauerstofffreien Umgebung an genau der Stelle, an der ein Laserstrahl auf Metall trifft?“ Dieser Fokus soll sich nach und nach ausweiten bis zur umfassenden Erforschung und Entwicklung konkreter produktionstechnischer Verfahren des Urformens, Umformens, Fügens, Trennens und Beschichtens in einer sauerstofffreien Umgebung.

Hintergrund

Zum Team des SFB 1368 „Sauerstofffreie Produktion“ unter Federführung des Instituts für Werkstoffkunde gehören insgesamt sechs Institute des Produktionstechnischen Zentrums Hannover und mit dem Institut für Produktentwicklung und Gerätebau zudem ein weiteres Institut der Fakultät für Maschinenbau der Leibniz-Universität Hannover. Außerdem sind das Institut für Verteilte Systeme (Fakultät für Elektrotechnik und Informatik), das Laser-Zentrum Hannover und vier Institute aus Physik und Maschinenbau der Technischen Universität Clausthal beteiligt.