Nichts für Langschläfer:innen, sondern für Macher:innen

Noch bevor die Sonne über den Horizont steigt, öffnen sich bei der Smart Material GmbH die Türen zu den Werkstätten. Ab sechs Uhr morgens herrscht an den meisten Arbeitsplätzen bereits emsiges Treiben. Was dabei direkt ins Auge sticht: Hier werden nicht nur Maschinen bedient, sondern hier findet Handarbeit statt. Und obwohl alle konzentriert arbeiten, ist die Stimmung auffallend locker; irgendwo im Hintergrund spielt ein Radio leise aktuelle Hits. Dass hier an und mit Hightech-Materialien gearbeitet wird, sieht nur, wer genauer hinschaut.

Einen ersten Hinweis darauf gibt ein Bild, das nicht zu übersehen an einer der Wände der Werkstätten hängt. Darauf zu sehen sind W. Keats Wilkie, Ph.D. (NASA Langley Research Center Hampton, Virginia) und Thomas Daue (Gründer und Präsident Smart Material Corp.) vor dem Langley Research Center der NASA in Hampton (Virginia, USA). Doch nicht nur für die Raumfahrt war und ist dieses Forschungszentrum von zentraler Bedeutung – auch die Luftfahrt ist immer wieder auf neue Impulse angewiesen. Und die wiederum liefert Smart Material mit seinen Piezokomposit-Materalien, die zum Beispiel im Bereich der Luftfahrt eine umweltfreundliche Alternative zu konventionellen Enteisungsmaßnahmen von Flugzeugen darstellen. Denn die beim so genannten Ground De-Icing am Boden typischerweise eingesetzten Flüssigkeiten auf Glykolbasis belasten nicht nur das Grundwasser, sondern sind darüber hinaus auch mindestens gesundheitsbedenklich. Um Tragflächen während des Fluges eisfrei zu halten, werden neben Heißluftsystemen auch elektrische Heizelemente oder pneumatische Vorrichtungen genutzt, um Eis abzusprengen.

Einsatzgebiete in allen Elementen

Ganz andere Möglichkeiten ergeben sich mit Piezokeramiken, die unter den smarten Materialien gewissermaßen eine Sonderstellung einnehmen. Während sie sich unter elektrischer Spannung verformen (inverser Piezoeffekt), erzeugen sie bei mechanischer Verformung Spannung (direkter Piezoeffekt). Versieht man zum Beispiel die Vorderkante einer Tragfläche mit Piezokeramiken, lassen sich durch Anlegen einer Spannung hochfrequente Vibrationen erzeugen. Diese Mikroschwingungen lösen dann rein mechanisch die Eis-Schicht ab.

Doch nicht nur in der Luft, auch an Land sind piezoelektrische Systeme regelmäßig im Einsatz, zum Beispiel als Parksensoren in Fahrzeugen. Und auch unter Wasser werden Piezokeramiken von Smart Material eingesetzt. Eher ungewöhnlich und gleichzeitig faszinierend ist der Einsatz in Fischen. Was zunächst wenig tierfreundlich klingt, hat jedoch einen ausgesprochen wichtigen Hintergrund. Denn überall auf der Welt haben Menschen Eingriffe in die Natur vorgenommen und zum Beispiel Flussläufe verändert und an menschliche Bedürfnisse angepasst. Für Forellen, die zum Laichen an die Oberläufe von Flüssen aufsteigen, stellen jedoch beispielsweise Staudämme unüberwindbare Hindernisse dar. So genannte Fischaufstiegsanlagen schaffen zwar Abhilfe, garantieren aber nicht, dass sie ihr Ziel auch erreichen. Um mögliche „Sackgassen“ erkennen und damit gezielt beseitigen zu können, werden einzelne Forellen mit Sendern ausgestattet. Für aussagekräftige Messungen entscheidend ist dabei die zuverlässige Energieversorgung. Sichergestellt wird diese durch ein nur 300µm dünnes Bauteil, das die direkte Piezoelektrizität nutzt. Vereinfacht gesagt liefern die Schwimmbewegungen der Forelle also den Strom für die Peilsender.

Serienfertigung in Handarbeit

Spätestens hier schließt sich der Kreis zur US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA. Denn die so genannte Macro Fiber Composite™ (MFC) – die Bauform, die in miniaturisierter Form auch in Fischen eingesetzt werden – wurde bereits 1999 von Ingenieuren der NASA erfunden; seit dem Jahr 2002 vertreibt es Smart Material als lizensierter Hersteller weltweit. Doch bis aus piezokeramischen Stäben, Klebstoff, Elektroden und Polyimidfolie ein MFC entsteht, ist viel Fingerspitzengefühl, Geduld und vor allem Handarbeit gefragt. Jeder Arbeitsschritt folgt einem klaren Prozess; die Herstellung erfolgt dabei grundsätzlich in drei Phasen.

1. Zersägen piezokeramischer Wafer mittels Wafersäge in parallel angeordnete, rechteckige Fasern
2. Montage von Grund- und Deckfolien aus Polyimid mit integrierten Interdigitalelektroden
3. Laminieren und Polarisieren der Schichten unter Hitze zur Aktivierung der piezoelektrischen Kopplung

An gegenüberliegenden Arbeitsplätzen werden piezokeramische Stäbchen mithilfe einer Schablone exakt ausgerichtet, um die Basis für sogenannte 1-3-Piezokomposite zu schaffen. Anschließend werden die Strukturen mit Epoxidharz infiltriert, in Scheiben definierter Dicke vereinzelt und polarisiert. So entstehen jene gezielten Materialeigenschaften, die im jeweiligen Anwendungsfeld gefordert sind. Es ist eine filigrane Arbeit, für die eine ruhige Hand ebenso notwendig ist, wie ein geschultes Auge. Ist alles an Ort und Stelle, werden die so gefertigten „Päckchen“ vergossen und in einer Vakuumkammer weiterverarbeitet. Das Ergebnis sind kompakte Blöcke, die in weiteren Schritten in hauchdünne Scheiben und schließlich in präzise zugeschnittene Streifen unterteilt werden. Wie groß – oder vielmehr klein – diese letztlich sind, richtet sich nach den Vorgaben der Kunden.

Weltweiter Erfolg dank sächsischer Präzision

Bei diesen hat sich Smart Material in den mehr als zwei Jahrzehnten Unternehmensgeschichte den Ruf erarbeitet, nur beste Qualität zu liefern. Dafür sorgt auch das Qualitätsmanagement, das sich durch die gesamte Produktionskette zieht. Ob mit Mikroskopen, Messschiebern oder elektronischen Messgeräten: Vom Wareneingang bis -ausgang nehmen es die Kolleginnen und Kollegen immer bis auf My genau.

Von den Fertigungsräumen bis zu den Büros müssen jedoch einige Meter zurückgelegt werden. Zwei Etagen höher befinden sich auch die Büros von Bill Esler und Dr. Andreas Schönecker. So unscheinbar der Funktionsbau aus den 1990er Jahren von außen aussieht, so beeindruckend ist das Dachgeschoss. Die Kombination von Stahl und Glas wirkt zeitlos modern, flutet die Räume mit Licht und versprüht in gewisser Weise den Charme eines Penthouse. Von hier aus lenkt der gebürtige US-Amerikaner Esler gemeinsam mit Thomas Daue, der sein Büro im „Sunshine-State“ Florida in den USA hat, die Geschicke des Unternehmens. Seinen Sitz in der sächsischen Landeshauptstadt verdankt es nicht zuletzt dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, das Dresden als eines von insgesamt zehn Instituten zur „Fraunhofer-Hauptstadt“ macht und einst Schöneckers Wirkungsstätte war.

Und so sind die hoch über den Dächern der Stadt liegenden Büros auch ein Sinnbild für den Weitblick, mit dem die beiden Tag für Tag daran arbeiten, die besonderen Eigenschaften von Piezokeramiken in Produkte zu überführen, die sonst kaum denkbar wären. Dass sie dabei auf ein Team zählen können, das nicht nur einen kollegialen, sondern freundschaftlichen Umgangston pflegt, macht beide sichtlich stolz. Und während für die Mitarbeitenden der Produktion am frühen Nachmittag bereits der Feierabend anbricht, gibt es für sie noch jede Menge administrative Aufgaben zu erledigen. Ein Job, der schon mal bis in die späten Abendstunden dauern kann. Doch spätestens, wenn die ersten Sonnenstrahlen einen neuen Tag ankündigen, werden sich bei der Smart Material GmbH die Türen zu den Werkstätten öffnen. Dann beginnt zwei Etagen tiefer ein neuer Arbeitstag in der Dresdner „Piezo-Manufaktur“.