TRIP/TWIP-Stahl revolutioniert Hochleistungsbauteile in Industrie & Mobilität

Ein neu entwickelter austenitischer Stahl mit TRIP/TWIP-Effekt verspricht höhere Sicherheit, geringeren Energieverbrauch und bedeutende CO₂-Einsparungen. Forscher vom Fraunhofer IWU und der TU Freiberg leisten damit Pionierarbeit für nachhaltige Hochleistungsbauteile – besonders in Automobilindustrie, Luftfahrt und Medizintechnik.

Inhaltsübersicht

Einleitung
Was macht den TRIP/TWIP-Stahl so besonders?
Kalt statt heiß: Wie der neue Umformprozess Energie spart
Anwendungen, Aussichten und Auswirkungen
Fazit

Einleitung

Sicherheit, Leichtbau, Energieeffizienz – kaum eine Branche steht stärker unter wachsendem Innovationsdruck als die metallverarbeitende Industrie. Gleichzeitig steigen durch Klimaziele die Anforderungen an nachhaltige Produktion. Genau hier setzt ein außergewöhnlicher Durchbruch an, den das Fraunhofer IWU gemeinsam mit der TU Bergakademie Freiberg erzielt hat: Ein neuer Stahl, der durch seine spezielle Legierung und die Nutzung von TRIP- und TWIP-Effekten nicht nur höchste Festigkeit und Formbarkeit vereint, sondern auch ohne energieintensive Wärmebehandlungen auskommt. Damit wird eine technische und ökologische Lücke geschlossen – in einer Zeit, in der industrielle Dekarbonisierung dringend gebraucht wird.

Was macht den TRIP/TWIP-Stahl so besonders?

Die Besonderheit des neuen kaltumformbaren Stahls liegt tief in seiner chemischen Zusammensetzung und mikrostrukturellen Architektur. Statt klassisch eingesetztem Nickel nutzen die Forscher vom Fraunhofer IWU und der TU Freiberg eine gezielte Stahllegierung mit Kupfer – ein Schritt, der nicht nur ökologische Vorteile bringt, sondern zugleich neue technische Eigenschaften erschließt.

Nickel ist nicht nur teuer, sondern in Bezug auf Nachhaltigkeit problematisch. Kupfer hingegen ist leichter verfügbar und senkt die Umweltbelastung bei vergleichbarer Funktion: Die legerungsbedingte Stabilisierung der austenitischen Phase bleibt erhalten. Diese Phase ist entscheidend für das, was im Inneren des Metalls passiert – genau hier wird’s spannend.

TRIP trifft TWIP – ein Duo mit Wirkung

Der neue Werkstoff vereint zwei mikrostrukturelle Mechanismen: TRIP (Transformationsinduzierte Plastizität) und TWIP (Zwillingsinduzierte Plastizität). Klingt technisch, macht aber im Kern folgendes:

• TRIP: Bei mechanischer Belastung verwandeln sich einzelne Kristallstrukturen – sogenannte Austenite – in härtere Martensit-Gefüge. Das erhöht lokal die Festigkeit und stoppt Rissausbreitung.
• TWIP: Parallel bilden sich auf atomarer Ebene Zwillingsstrukturen. Diese absorbieren Energie und steigern die Duktilität – also wie stark sich das Material verformen lässt, ohne zu brechen.

Im Zusammenspiel entsteht daraus ein ausgewogenes Profil aus hoher Festigkeit und enormer Zähigkeit – Eigenschaften, die stahlbasierte Hochleistungsbauteile in der Automobilindustrie, Luftfahrt oder sogar der Medizintechnik deutlich sicherer machen können. Und das bei gesteigerter Energieeffizienz und realer CO₂-Einsparung in der Industrie. Genau hier beginnt die kleine Materialrevolution.

Kalt statt heiß: Wie der neue Umformprozess Energie spart

Die massive Energieeinsparung im Herstellungsprozess beginnt mit einem scheinbaren Widerspruch: hochfester Stahl, der bei Raumtemperatur verformt werden kann. Der kaltumformbare Stahl auf Basis einer kupferhaltigen Stahllegierung entwickelt am Fraunhofer IWU und der TU Freiberg macht genau das möglich – und nutzt dabei die physikalischen Effekte, die als TRIP (Transformationsinduzierte Plastizität) und TWIP (Zwillingsinduzierte Plastizität) bekannt sind.

Im konventionellen Warmumformprozess wird Stahl zuerst auf über 1.000 Grad Celsius erhitzt, damit er weich genug zum Verformen wird. Doch das kostet nicht nur enorme Mengen Energie, sondern führt auch zu einem deutlichen CO₂-Ausstoß. Die neue Herangehensweise nutzt gezielt mikrostrukturelle Steuerung, um diese Wärmebehandlung zu umgehen. Die Forscher modifizierten die Legierungszusammensetzung gezielt: Kupfer ersetzt dort Nickel, verbessert die Recyclingfähigkeit und erlaubt eine präzise Kontrolle der austenitischen Kristallstruktur – selbst bei niedrigen Temperaturen.

Das Ziel: Den Stahl direkt in der Presse verformen, ohne vorgängige thermische Behandlung. TRIP- und TWIP-Mechanismen werden dabei nicht durch Temperatur, sondern durch mechanische Belastung aktiviert. Mikroskopisch kleine Phasenumwandlungen sorgen bei Belastung für eine erhöhte Verfestigung, ohne das Material spröde werden zu lassen – entscheidend für Stahl im Automobilbau oder in der Luftfahrt.

Die Auswirkungen sind signifikant:

• Weniger Energieverbrauch in der Metallverarbeitung
• Geringere CO₂-Emissionen – ein essenzieller Beitrag zur nachhaltigen Stahlverarbeitung
• Reduzierte Produktionskosten durch den Wegfall energieintensiver Erwärmung

Der Übergang zur Kaltumformung war kein Selbstläufer: Man musste sicherstellen, dass sich das Material auch ohne Hitze zuverlässig verformen lässt, ohne seine einzigartigen Eigenschaften zu verlieren. Doch die erzielten Ergebnisse sprechen eine klare Sprache – Energieeffizienz in der Industrie</b lässt sich auch aus dem Innersten des Werkstoffs heraus denken.