Hohlkugeln aus Metall

Neue Antriebstechnologien sowie leichtere und leistungsfähigere Werkstoffe sollen dafür sorgen, dass Flugzeuge und Kraftfahrzeuge treibstoffsparender vorankommen. Oft jedoch liegt die Lösung im Detail.

Beispielsweise bei Magnetkugelventilen: Sollen sie extrem schnell reagieren, müssen die enthaltenen Kugeln möglichst leicht sein – ebenso bei sehr schnell bewegten Lagern. Eine mögliche Lösung: Hohlkugeln aus Stahl.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden und der hollomet GmbH Dresden haben nun die Grundlage gelegt für schnell reagierende Kugelventile und -lager. »Beim Einspritzventil sorgt eine Kugel dafür, dass sich das Ventil öffnet und schließt. Je leichter die Kugel, desto schneller lässt sie sich bewegen«, sagt Dr.-Ing. Hartmut Göhler, Projektleiter am IFAM. Bisher konnte man Kugeln in diesen Größen nur massiv herstellen.

Die massive Kugel ist jedoch verhältnismäßig schwer und reagiert in einem Kugelventil daher langsam. »Wir konnten erstmals metallische Hohlkugeln mit dem passenden Durchmesser von nur zwei bis zehn Millimeter herstellen. Die hohlen Kugeln sind um 40 bis 70 Prozent leichter als massive.« Als Ausgangsstoff dienen Styropor-kugeln. In einem Wirbelbettverfahren pustet ein Luftstrom die Kugeln hoch und hält sie in der Schwebe, während von oben eine Suspension aus Metallpulver und Binder daraufgesprüht wird. Ist die Metallschicht auf den Kugeln dick genug, folgt eine Wärmebehandlung: In einem ersten Schritt verdampfen dabei alle organischen Bestandteile, das Styropor und der Binder.

Die Reststoffe sind gasförmig und entweichen durch die Poren in der Metallschicht. Zurück bleibt eine zerbrechliche Kugel aus Metall. Diese wird nun knapp unterhalb der Schmelztemperatur gesintert. Die Metallpulverkörnchen verbinden sich dabei, die Schale wird fest und dicht. Die Kugel ist nun stabil genug, um in einer Schleifmaschine geschliffen zu werden. Der Druck darf dabei nicht zu hoch sein, sonst verformt sich die hohle Kugel. Die Wandstärke kann auf Dicken zwischen einigen Zehntelmillimetern und einem Millimeter eingestellt werden.

Anwendungen sieht Göhler überall dort, wo eine geringe Massenträgheit gefordert ist. »Durch die Hohlkugeln ergeben sich sicherlich auch noch einige Anwendungen, die bisher nicht zu realisieren waren«, ist sich Göhler sicher. Geschliffene Kugeln aus Stahl haben die Wissenschaftler bereits realisiert, andere Metalle wie Titan und verschiedene Legierungen sind für die Zukunft vorgesehen.