Von der Materialwissenschaft zur Nanowissenschaft

Wenn Experten die Grenzen der Wissenschaft ausloten, werden neue Entdeckungen gemacht. Die Timken-Kunden von heute nähern sich der Realisierung des Elektroflugs und suchen nach neuen Wegen, erneuerbare Energien zu nutzen. Jeder Fortschritt in der Mechanik beruht auf einer gemeinsamen Frage: Welche Materialien können die Anforderungen jeder neuen Anwendung erfüllen?

Das Verständnis des physikalischen und chemischen Verhaltens von Metallen ist für die nächste Generation von Innovationen unerlässlich. Aaron Muhlenkamp und Amanda Grow, Senior Materials Specialists, erläutern, warum das metallurgische Know-how für die industrielle Führungsposition von Timken von zentraler Bedeutung ist – und welche entscheidende Rolle es bei der Verbesserung der Kundenleistung und der Herstellbarkeit von Lagern spielt.

Kundenorientiert: Metallurgie als ultimative angewandte Wissenschaft

Manchmal beantwortet die Wissenschaft theoretische Fragen. Ein anderes Mal löst sie Probleme der realen Welt. Während das Studium der Metallurgie beides leistet, ist es das Ziel aller F+E-Aktivitäten von Timken, neue Entdeckungen zu machen, die dazu beitragen, bestimmte technische Herausforderungen zu meistern, die gerade jetzt auftreten.

„Alles, was wir tun, fällt in eine von zwei Kategorien: Performance oder Herstellbarkeit“, sagt Aaron Muhlenkamp, Experte für Wärmebehandlung und Ausbilder für Lagermetallurgie bei Timken.

Wenn es um Performance geht, geben metallurgische Erkenntnisse Aufschluss über die optimale Werkstoffauswahl in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen. So haben Lager, die über Jahrzehnte extremen Bedingungen im Weltall standhalten müssen, zum Beispiel ganz andere Anforderungen als Lager, die jeden Tag den Pendelverkehr eines Elektrofahrzeugs auf der Erde unterstützen. Das bedeutet, dass jedes Lager andere mechanische Eigenschaften von seinen Werkstoffen verlangt. Die richtigen Eigenschaften verbessern die Performance und Effizienz des Lagers und des gesamten Systems, das es unterstützt.

Muhlenkamp merkte an, dass sich die Leistungsanforderungen ständig ändern, da Erstausrüster die Fähigkeiten ihrer Systeme verbessern. Es besteht immer ein Bedarf an metallurgischer Forschung, die sicherstellt, dass neue Lager mit höheren Drehzahlen laufen, schwerere Lasten aufnehmen oder höhere Temperaturen bewältigen können.

„Wir haben immer mehr Kunden, die uns sagen, dass dies eine normale Anwendung sei, aber jetzt muss sie 50 Grad heißer als zuvor betrieben werden. Wie können Sie uns dabei helfen?“ sagte er. „Oder wir erhalten Anfragen, um sicherzustellen, dass ein ca.3,3 m breites Lager unglaubliche Lasten in Offshore-Windkraftanlagen unterstützen kann. Letztendlich müssen wir Materialien beschaffen und testen, um zu beweisen, was funktioniert.“

Werkstoffe, die Leistung erbringen, müssen bei der Herstellung von Lagern auch praktisch zu verwenden sein. Ist der Werkstoff verfügbar? Wie verhält er sich bei der Wärmebehandlung, der Bearbeitung und anderen Fertigungsprozessen? Wird er kostengünstig sein? All dies sind Fragen, die Metallurgen berücksichtigen, wenn sie Ingenieure und Kunden von Timken bei der Materialauswahl beraten.

Erstklassige Forschung in einem industriellen Umfeld

Aus der Notwendigkeit heraus, seine Stahllieferanten zu Beginn des 20. Jahrhunderts zu qualifizieren, begann Timken 1913 in die eigene Metallurgie und Möglichkeiten zur Materialcharakterisierung zu investieren. Heute verfügt das Unternehmen über ein globales Team von 26 Experten und Expertinnen für Materialwissenschaft und ein beeindruckendes metallurgisches Labor mit Geräten, die zu den hochauflösendsten der Welt gehören.

„Diese Werkzeuge geben uns viele Einblicke in die Werkstoffchemie, die Mikrostruktur, das Verarbeitungsverhalten, die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften und die Produkt-Performance“, sagt Amanda Grow, die sich auf Tests und Lösungen mit neuen Werkstoffen spezialisiert, die Timken an der Spitze der Lagertechnologie halten. „Unsere F +E-Labore können mit denen vieler Universitäten mithalten.“

„Diese Werkzeuge geben uns viele Einblicke in die Werkstoffchemie, die Mikrostruktur, das Verarbeitungsverhalten, die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften und die Produkt-Performance. Unsere F +E-Labore können mit denen vieler Universitäten mithalten.“

Amanda Grow
Senior Materials Specialist

Während sich einige Labore auf einfachere Härtetests verlassen, um halbqualitative Daten über die mechanischen Eigenschaften eines Materials zu erhalten, verwendet Timken die Indentations-Plastometrie, um genauere Details zu erfassen. Mit dieser Methode lassen sich genauere Informationen über das Spannungs-Dehnungs-Verhalten und die ultimative Zugfestigkeit eines Werkstoffs erhalten. Die Ergebnisse helfen bei der Entscheidungsfindung, ob ein bestimmtes Material für die Herstellung von Timken-Lagern und später für eine reale Anwendung geeignet ist.

Metallurgen des Unternehmens setzen auch die neuesten Methoden der optischen Emissionsspektroskopie mit Glimmentladung ein, um die Chemie eines Materials zu untersuchen.

„Im Prinzip schießen wir dabei Argon-Ionen auf ein Stück Stahl, um das Material langsam abzutragen“, sagte Grow. „Während die Schichten abgetragen werden, wird ihre Zusammensetzung analysiert, und zwar Nanometer für Nanometer. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist ungefähr 75.000 bis 100.000 Nanometer breit.“

Timken hat vor kurzem damit begonnen, seine metallurgischen Prüfkapazitäten auch unterwegs zu nutzen, indem es miniaturisierte Technologie einsetzt, um Stahl in Stahlwerken zu scannen, chemische Analysen durchzuführen und Qualitätsprüfungen vorzunehmen. Das Handheld-Gerät erledigt schnell die gleiche Arbeit wie sein traditionelles Laboräquivalent, das den Platz von zwei Schreibtischen einnimmt.

„Je schneller wir gute Daten erhalten, desto eher können wir gute Entscheidungen treffen“, sagte Muhlenkamp.

Materialwissenschaft mit Blick auf die Zukunft

Mit einem starken Hintergrund in metallurgischem Know-how erweitert Timken ständig seinen Horizont, um das wachsende Portfolio des Unternehmens, die entstehenden Kundenbedürfnisse und die Innovationsgeschwindigkeit zu unterstützen.

Timken hat vor kurzem Hybridlager für die Luft- und Raumfahrt mit keramischen Wälzkörpern eingeführt . Keramikwerkstoffe besitzen einzigartige Eigenschaften, die hohe Festigkeit bei hohen Drehzahlen bieten und leichtere Alternativen zu Stahl für Anwendungen in der Luftfahrt sind.

Durch die Übernahme von GGB durch Timken wurden kürzlich auch Polymere in den Zuständigkeitsbereich des Unternehmens aufgenommen, und F+E befasst sich zunehmend mit der Entwicklung und Auswahl von Materialien für Produkte, die über das ursprüngliche Portfolio von Lagern hinausgehen. Timken-Experten untersuchen die additive Fertigung, um bestimmte Leistungsmerkmale in industriellen Kettenprodukten zu erhöhen .

Muhlenkamp und Grow sind sich einig – während Timken seine technischen Fähigkeiten ausbaut, bleibt die Kundenorientierung ein Schwerpunkt, um mit zukünftigen Innovationen Schritt zu halten.

Laut Muhlenkamp geht es darum „so schnell wie möglich an Wissen zu kommen. Je schneller wir gute Daten erhalten, desto schneller können wir gute Entscheidungen treffen.“

„Und Agilität“, fügte Grow hinzu. „Wir wollen ein zunehmend agileres Fertigungsunternehmen sein. Und wir haben das Wissen dafür.“

Die Innovation der Timken-Kunden wird durch Initiativen in unseren erstklassigen Timken F+E-Laboren vorangetrieben. Erfahren Sie mehr über die Investitionen des Unternehmens in eine breite Palette technischer Aktivitäten, von der Modellierung und Vorhersage der Lagerleistung bis hin zu neuen Produkttests.

Published: 2024/01/15