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DGM-DKG-Strategieworkshop
"Zukunftspotenziale von Hochleistungskeramiken"
Keramiken für mobile Anwendungen
Volker Knoblauch*, Gert Lindemann**, Gunnar Picht**
mit Beiträgen aus Expertenstudie „HLK“ von A. Naake/VW AG, A. Schletz/FhG IISB,
U. Alkemade/R. Bosch GmbH, U. Gärtner/Daimler AG, T. Koch/KIT, K. Joachim/DGM
1DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
* Hochschule Aalen, Institut für Materialforschung
** Robert Bosch GmbH, Forschung und Vorausentwicklung Werkstoffe
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● „Entwicklungsstrategische“ Vorbetrachtungen
● Applikationsbeispiele und Lösungskonzepte im Kraftfahrzeug
und abgeleitete Forschungsbedarfe
Fokus Materialein und Fertigungsprozesse – Zuverlässigkeitskonzepte
Fokus Thermomanagement im Antriebs- und Abgasstrang
Fokus Abgasreinigung von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren
Fokus Keramik für mobile Leistungselektronik
Fokus Elektromobilität/Batterietechnik
● Wichtige Querschnittstechnologien
● Zusammenfassung
Gliederung
Quelle: CeramTec AGDGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
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Von der Markt- zur Werkstoffanforderung
Werkstoffentwicklung in der Zeitfalle
Markt / Applikation System Komponente
BauteilWerkstoffSystem-Pull
• Chemie & Kristallographie
• Mikrostruktur
• Konstitutives Verhalten
• Prozess-/Fertigungstechnik
• Analytik und Prüftechnik
• Zuverlässigkeit
• ….
Technolgie-
PushEntwicklungszeit
rd. 8-10 Jahre
Quelle: CeramTec AGDGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
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Von der innovativen Werkstofflösung zum Serienprodukt
Beweislast liegt bei der Werkstoffentwicklung
OEM / Automobilhersteller Tier 1-Zulieferer / System- und Komponentenhersteller
Tier 2/3-Zulieferer / Werkstoff- und Bauteilhersteller
• Chemie & Kristallographie
• Mikrostruktur
• Konstitutives Verhalten
• Prozess-/Fertigungstechnik
• Analytik und Prüftechnik
• Zuverlässigkeit
• ….
DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
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Hochleistungskeramiken im Automobil
Vernachlässigbare Mengen?
Quelle: BMW AG, TH Nürnberg
DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
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Hochleistungskeramiken als Schlüsselkomponenten und
„Enabler“ mit großem Hebel
Glühstiftkerze
Park Pilot
λ-Sensor
NOx-Sensor
Einspritzsystem
(Piezoaktor)
Zündkerze
Partikelfilter
Katalysator
Öldrucksensor
Bremsen-
komponenten
Air Bag Sensor
ESP
Hochdruck-
pumpe
Luftmassen-
sensor
DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
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Alleinstellungsmerkmale keramische Schichten:
● Grundsätzlich vorteilhaftes Profil der ther-
mischen Eigenschaften (insbes. geringe
Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität)
● Hohe thermische & chemische Beständigkeit
Optimierte Brennverfahren („Temperatur-
Swing“), reduzierter Kühlaufwand, erhöhte
Abgastemperatur => weitere Potenziale zur
Energierückgewinnung (z.B. TC-Motoren)
Thermomanagement im Antriebs- und Abgasstrang
Hochleistungsbeschichtungen
Forschungsbedarfe (u.a.)
● Maßschneidern des Eigenschaftsprofils:
thermische, mechanische und tribologische
Eigenschaften
● Steigerung thermomechanische Robustheit
(Bruchzähigkeit, TW-Beständigkeit)
● Verständis für Verhalten des Multimaterial-
verbunds unter hoher thermischer Last
Quellen: ATM (2013),
Daimler AG
Zylinderblock:
rd. 35 %
Kammer:
rd. 25 %
Auslasskanal:
rd. 25 %
Abgaskrümmer:
rd. 15 %
DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
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Alleinstellungsmerkmale Keramik (z.B. Si3N4)
● Geringe Dichte
● Hohe thermische und chemische Beständigkeit
Kurze Ansprechzeit („kein Turboloch“) und
hohe chemische Robustheit
Thermomanagement im Antriebs- und Abgasstrang
Strukturkeramiken am Beispiel Turbinenrotoren für Turbolader
Forschungsbedarfe (u.a.)
● Verbessertes quantitatives Verständnis der
Fertigungsprozesskette
● Darstellung der erforderlichen Qualität mit
möglichst kostengünstigen Prozessen
● Abgesicherte Vorgehensweise zur
Zuverlässigkeitsauslegung und Q-Sicherung
● Weitere Steigerung der mechanischen
Robustheit (=> Bruchzähigkeit, Streuung)
Quellen: Borgwarner,
KyoceraDGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
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Alleinstellungsmerkmale Keramik
● Hohe thermische und mechanische Stabilität
sowie sehr gute elektrische Isolationseigen-
schaften bei hoher thermischer Leitfähigkeit
hohe Integrationsdichte, kleiner Bauraum auch
für hohen Leistungen
Geeignet für Einsatz in „Harsh-Environment“,
z.B. für motornahen Einbau (Vibration, Temp.)
Mobile Leistungselektronik am Beispiel keramischer
Schaltungsträger
Forschungsbedarfe (u.a.)
● Optimierung des Eigenschaftsspektrums
„Wärmeleitfähigkeit“, „(Thermowechsel-)
festigkeit“ und „Kosten“
● Erhöhung Durchschlag- und Teilentladungs-
festigkeit
● Innovative Entwärmungskonzepte, z.B.
Mischkeramiken oder Verbundwerkstoffe
Quellen: CeramTec AG,
FhG IISBDGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
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Alleinstellungsmerkmale Keramik
● hohe Ionenleitfähigkeit & elektrisch isolierend
● nicht brennbar
erhöhte Sicherheit im Vergleich zu
konventionellen Systeme
Materialien und Bauweise von Feststoffbat-
terien versprechen eine hohe Energiedichte
(> 400 Wh/kg) und Reichweiten von > 400 km
Batterietechnik am Beispiel keramischer Festkörperelektrolyte
für Elektroden und als Separatoren
Forschungsbedarfe (u.a.)
● Geringe Grenzflächenwiderstände zwischen
Elektrolyt und Stromableiter bzw. zwischen
Elektrolyt und Aktivmaterial
● Zell- und Stack-Design für Betrieb mit Lithium-
Metallanoden (Volumenänderung, mecha-
nische und elektrochemische Beständigkeit)
● Kostengünstige Prozesstechnologien
(1) P. H. L. Notten et al., Adv. Energy Mater. 2011, 1, 10–33; (2) F. Lalere et al., Journal Power Sources 247 (1) (2014) 975
(1)
(2)
DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
Querschnittstechnologie “Numerische Modellierung und
Simulation auf unterschiedlichen Skalen”
Material Herstellprozess Bauteilauslegung Zuverlässigkeit
Vorhersage von
Eigenschaften
• Atomistische
Simulationen
• Nanoskalen-
experimente
Simulation von
• Pulverpressen
• Spritzgießen
• Sintern
• Werkstoff-
verhalten
• Werkstoff-
modelle
• Spannungs-
analyse
• Schädigung /
Ermüdung
• Stochastische
Analyse
• Lebensdauer
Numerische und experimentelle Bewertung von funktionalen und
mechanischen Aspekten für verschiedene Prozesse und Skalenlängen
11DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
Material-/Mikrostruktursimulation am Beispiel Li-Ionen-
Batterie
Material Herstellprozess Bauteilauslegung Zuverlässigkeit
Beispiel
Li-Ionen-Batterie
Numerische und experimentelle Bewertung von funktionalen und
mechanischen Aspekten für verschiedene Prozesse und Skalenlängen
12DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
Simulation des Ein- und Auslagerns von Li-Ionen in die
keramischen Speicherpartikel beim Be- und Entladen
Problemstellung:
● Das Ein- und Auslagern von Li-Ionen in
die keramischen Speicherpartikel
während des Be- und Entladens führt zu
inhomogenen Li-Konzentrationen
innerhalb der Partikel.
● Draus resultieren Eigenspannungen in
den Partikeln, die zu Mikrorissen in den
Partikeln führen können.
● Dieser Mechanismus trägt zur Alterung
der Li-Ionen-Batterien bei und ist von
vielen Faktoren wie z.B. Stromrate und
Partikelgröße abhängig.
Zielstellung der Simulation:
● Erlangen eines quantitatives Verständnis
der zahlreichen Einflussfaktoren.
13DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
Materialmodell zur Simulation des Ein- und Auslagerns von
Li-Ionen
14DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
Eigenspannungen und Rissbildung in Speicherpartikel beim
Be- und Entladen
Spannungsverteilung in
Partikel bei Stromrate 3C
Simulation der elektrochemisch induzierten mechanischen Spannungen in
Abhängigkeit der Partikelgröße und –form, Stromrate und Materialparameter
Spannungsverteilung in
Partikel bei Stromrate 7C
Geschädigter Partikel im REM
(LiMn2O4)
15DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
Prozesssimulation am Beispiel Zündkerze
Material Herstellprozess Bauteilauslegung Zuverlässigkeit
Beispiel
Zündkerze
Numerische und experimentelle Bewertung von funktionalen und
mechanischen Aspekten für verschiedene Prozesse und Skalenlängen
16DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
Simulation des Verdichtungsprozesses und der resul-
tierenden Dichteverteilung im (grünen) Zündkerzenstein
Problemstellung:
● Beim Verpressen der Zündkerzensteine
können, abhängig von Pulvercharak-
teristik, Pressform und Prozess-
parametern Dichteunterschiede auftreten.
● Daraus resultiert u.a. lokale Porosität im
gesinterten Zustand.
● Dies führt lokal zu einer verminderten
Durchschlagsfestigkeit, was insbe-
sondere für kleinbauende Zündkerzen für
Motoren mit hoher Leistungsdichte nicht
tolerierbar ist.
Zielstellung der Simulation:
● Simulationsgestützte Optimierung der
Einflusgrößen für eine hohe und
homogene Dichte des Zündkerzensteins
im Grünzustand.
Isostatisches
Pressen
Sintern
Füllen und
Identieren
17DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
● Modellierung des Werkstoffverhaltens mit einem plastischen Modell*
● Implementierung des Werkstoffmodells in einen Finite-Element-Code
● Bestimmung der Modellparameter mittels angepasster Experimente
Materialmodell zur Simulation des Verdichtungsprozesses
Cap- Bereich
Drucker-
Prager
Linie
Hydrostatischer
Druck
Vo
n-M
ise
s
Sp
an
nu
ng Drucker-Prager/cap-Modell
Versuchsvorrichtung
18Quelle: FhG IWM
DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
Dichtegradienten durch Einführen der Nadel und quasi-
isostatisches Kompaktieren des Pulvers
Steel plate
Rubber die
Powder
Needle
Supporting plate
19DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
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Querschnittstechnologie “Numerische Modellierung …”
Forschungsbedarf
Material:
● Materialscreening auf atomarer Ebene zum virtuellen Materialdesign, z.B.
zur Substitution von toxischen und seltenen Elementen
Herstellprozess:
● Simulationsmethoden zur Vorhersage von Pulver-Spritzgussprozess
● Physikbasierte Sintersimulation auf Gefügeebene (z.B. Phasenfeldmodelle)
Zuverlässigkeit:
● Stochastische Methoden zur Abbildung von Unsicherheiten und Streuungen
bei der Zuverlässigkeitsgestaltung
Übergeifend:
● Effektive Verfahren zur Multiskalenkopplung
● Entwicklung handhabbarer Tools, auch für d. breiteren industriellen Einsatz
● Validierung auf unterschiedlichen Skalen
DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
Umfangreiche Vorlaufforschung - kooperativ, risikobehaftet – notwendig, um Konzepte
zu Innovationen zu machen und Querschnittstechnologien weiter zu entwickeln.
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Zusammenfassung
● Hochleistungskeramiken bereits heute an vielen Stellen „Enabler“ von
Systemlösungen zur Verbrauchs- und Abgasreduzierung sowie für
Sicherheitsfunktionen im Kraftfahrzeug.
● Zahlreiche neue vorteilhafte keramische Lösungskonzepte in Industrie und
Wissenschaft vorhanden, die einen wesentlichen Beitrag für eine
ressourcenschonende Mobilität leisten können.
● Querschnittstechnologien sind wesentliche Voraussetzung zur Verkürzung
der „time to market“, Sicherstellung der Zuverlässigkeit und Reduzierung von
Kosten.
● Warten auf die Markt-/Systemanforderungen ist aus Werkstoffsicht
angesichts der langen Werkstoffentwicklungszeiten problematisch, es
müssen verstärkt systemerprobe Lösungen angeboten werden.
DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“
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